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La piena capacità delle alghe studianti come fonte di energia rinnovabile efficiente

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I cianobatteri possono sembrare sgradevoli in natura, sistemantesi sulla superficie delle paludi e di altre masse di acqua. Ma potrebbe essere uno dei catalizzatori per sviluppare il bioeconomy del XXI secolo, compreso le fonti di energia rinnovabili che riforniscono il futuro di combustibile.

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Le alghe, anche conosciute come la cyanobacteria, la fotosintesi di uso per convertire energia leggera proveniente dal sole in energia chimica stata necessaria per crescita e la funzione. Gli scienziati all'università dello stato del Michigan (MSU) stanno imparando più circa il processo fotosintetico da questi organismi abbondanti — con un occhio su efficienza.

Cheryl Kerfeld, John A. Hannah Distinguished Professor della bioingegneria strutturale e uno scienziato di AgBioResearch ed il suo gruppo dei ricercatori stanno studiando un processo tramite cui la cyanobacteria si protegge da troppa luce.

«Senza un meccanismo molecolare occuparsi di energia leggera in eccesso, la cyanobacteria, essenzialmente, frigga,» Kerfeld dice. «Deve avere un modo contenere soltanto l'energia che hanno bisogno di senza sovraccaricare i loro sistemi.»

La cyanobacteria ha antenne che sono utilizzate per catturare l'energia leggera. Una proteina nella cyanobacteria, conosciuta come la proteina arancio del carotenoide (OCP), cambiamenti dall'arancia ad un colore rossastro protettivo quando un pigmento del carotenoide allegato alla proteina individua troppo leggero. In questo stato attivato, gli inserire della proteina le antenne della cyanobacteria, aiutanti l'organismo per dissipare energia leggera in eccesso come calore. La struttura molecolare dello stato attivato e la causa del cambiamento del colore della proteina erano precedentemente sconosciute.

Una carta pubblicata nella scienza, scritta dal gruppo di Kerfeld con l'autore principale e l'assistente di ricerca Ryan Leverenz, dettaglia la struttura della forma attivata del OCP e rivela un movimento inatteso del carotenoide. Il gruppo di Kerfeld — quale comprende Leverenz ed il co-cavo Markus Sutter autore, tra altri ricercatori di MSU, laboratorio di Kirilovsky in Francia e scienziati da Berkeley National Laboratory — è il primo per vedere questo comportamento. Precedentemente, i carotenoidi erano probabilmente statici e riparati ad un'impalcatura della proteina.

«Ha saputo che i carotenoidi hanno funzioni photoprotective, ma il OCP è unico in quanto che il carotenoide inoltre è usato come componente di un commutatore che è girato in funzione e a riposo da luce,» Leverenz dice. «Ora che possiamo vedere strutturalmente la forma commutata di "ON" della proteina, che potevamo vedere in laboratorio, stiamo imparando più circa come lega alle antenne della cyanobacteria e come contribuisce a dissipare l'energia dopo che lega. Una volta che completamente impariamo come questo processo è eseguito in natura, speriamo di applicare i principi per progettare i nuovi sistemi fotosintetici artificiali.»

I ricercatori hanno notato che, sebbene la cyanobacteria possedesse questo meccanismo unico per la dissipazione dell'energia leggera in eccesso, non eseguono sempre il compito nella maggior parte del modo efficace. Sfruttare l'energia persa come calore sarà importante nello sviluppo dei sistemi fotosintetici artificiali come fonte di energia affidabile.

«Il nostro gruppo passa alcuno del nostro tempo nella California ed alcuno nel Michigan. Con la siccità nella California, la gente è molto conscia dei rubinetti di gocciolamento ed il loro consumo di acqua globale,» Kerfeld dice. «Nel Michigan, c'è abbondanza dell'acqua, in modo dalla gente non pensa a questo proposito molto affatto. Il genere dell'IT come di quello con la cyanobacteria. Così è usata ad avere così tanto sole che non si preoccupano di stare attente circa il loro processo photoprotective — lo accendono e dimenticano di spegnerlo. Vogliamo aiutare la cyanobacteria siamo più astuti circa la fotoprotezione e non sprecare così tanto di quell'energia come calore. Ciò è importante affinchè la cyanobacteria di modificazione sia fabbriche microbiche delle cellule.»

La cyanobacteria inoltre sta provanda ad attuabilità come precursore chimico per la plastica, oltre ai combustibili. Quasi tutti i precursori nell'industria chimica sono attualmente basati a petrolio, in modo dalla sostenibilità e gli impatti ambientali sono preoccupazioni. Il Dipartimento per l'energia di Stati Uniti ha definito un obiettivo della generazione dei 25 per cento dei prodotti chimici industriali dai processi biologici da ora al 2025. Il miglioramento dell'efficienza della fotosintesi nella cyanobacteria può aumentare i rendimenti e le domande di indirizzo che circondano il suo uso come soluzione pratica alle sfide di energia.

«C'è grande potenziale nel usando la cyanobacteria come modo capire il processo complesso della fotosintesi,» Kerfeld dice. «Dobbiamo capire meglio come la fotosintesi è effettuata in natura e come quella traduce alle applicazioni nell'ambiente, dalle prospettive di biologia, di fisica e di chimica. Così dobbiamo continuare a collaborare come gruppi pluridisciplinari per fare avanzare questa ricerca. Il nostro gruppo è realmente emozionante circa cui abbiamo visto finora, ma sappiamo che c'è molto lavoro ancora da fare.»

Il finanziamento per il progetto è stato munito tramite la dotazione della posizione di Kerfeld, del laboratorio di ricerca della pianta di MSU-DOE e di MSU AgBioResearch, del finanziamento supplementare dal laboratorio di Kirilovsky in Francia e Berkeley National Laboratory.