ARITMÉTICA BIOLÓGICA: LAS PLANTAS HACEN SUMAS PARA PASAR LA NOCHE.

24 de Junio de 2013.

Traducción: Ben Llarpo Metacol.

Utilizando procesos fundamentales en lugar de células cerebrales, las plantas miden el tiempo hasta el amanecer y lo divide por sus niveles de almidón almacenados. Los investigadores dicen que esta capacidad en las plantas representa el primer ejemplo concreto de un proceso biológico fundamental de un cálculo aritmético tan sofisticado.

Una nueva investigación muestra que para evitar la inanición en la noche, las plantas realizan la división aritmética precisa. El cálculo les permite utilizar sus reservas de almidón a una velocidad constante de modo que se les acabe casi exactamente al amanecer.

"Este es el primer ejemplo concreto en un proceso biológico fundamental de un cálculo aritmético tan sofisticado." dijo el profesor de modelos matemáticos Martin Howard del Centro John Innes.

Las plantas se alimentan durante el día mediante el uso de la energía del sol para convertir el dióxido de carbono en azúcares y almidón. Una vez que el sol se ha puesto, tienen que depender de la reserva de almidón para evitar la inanición.

Profesores Martin Howard y Alison Smith.

Credito: Imagen cortesía de Norwich BioScience Institutes.

En la investigación que se publicará en la revista eLife, los científicos del Centro John Innes muestran que las plantas hacen ajustes precisos a su tasa de consumo de almidón. Estos ajustes aseguran que la reserva de almidón dure hasta el amanecer incluso si la noche llega inesperadamente temprano o el tamaño de la reserva de almidón varía.

Los científicos del Centro John Innes muestran que al ajustar su consumo de almidón de manera tan precisa que ellas deben realizar un cálculo matemático, la división aritmética.

"La capacidad para llevar a cabo el cálculo aritmético es de vital importancia para el crecimiento vegetal y la productividad", dijo la profesora bióloga metabólica Alison Smith.

"La comprensión de cómo las plantas siguen creciendo en la oscuridad podría ayudar a abrir nuevas formas de incrementar el rendimiento del cultivo."

Durante la noche, los mecanismos dentro de la hoja miden el tamaño de la reserva de almidón y estiman la cantidad de tiempo hasta el amanecer. Información sobre el tiempo viene de un reloj interno, similar a nuestro propio reloj biológico. El tamaño de la reserva de almidón se divide por la longitud del tiempo hasta el amanecer para establecer la velocidad correcta de consumo de almidón, de modo que, al amanecer, alrededor de 95% de almidón es consumido.

"Los cálculos son precisos para que las plantas eviten el hambre, sino también hacer el uso más eficiente de sus alimentos", dijo la profesora Smith.

"Si la reserva de almidón se usa demasiado rápido, las plantas pasaran hambre y dejan de crecer durante la noche. Si la reserva se utiliza con demasiada lentitud, algo de esto será en vano."

Los científicos usan modelos matemáticos para investigar cómo tal cálculo de la división puede llevarse a cabo dentro de una planta. Propusieron que la información sobre el tamaño de la reserva de almidón y el tiempo hasta el amanecer se codifica en las concentraciones de dos tipos de moléculas (llamadas S para el almidón y T para el tiempo). Si las moléculas S estimulan el consumo de almidón, mientras que las moléculas T evitan que esto ocurra, entonces la tasa de consumo de almidón se establece por la relación de las moléculas S por las moléculas T, en otras palabras, S dividido por T.

Esta investigación está financiada por el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC)

Fuente: Norwich BioScience Institutes., Scialdone et al. Arabidopsis plants perform arithmetic division to prevent starvation at night. eLife, 2013

BOSQUES ARTIFICIALES PARA DIVIDIR EL AGUA SOLAR.

Los investigadores De Berkeley Lab Dan la Primera Noticia sobre Un Nanosistema completamente integrado a la Fotosíntesis Artificial.
16 de mayo 2013.

Por: Lynn Yarris.

A raíz de la noticia preocupante que el dióxido de carbono atmosférico se encuentra ahora en su nivel más alto en al menos tres millones de años, se ha logrado un importante avance en la carrera para desarrollar fuentes de energía renovables sin emisiones de carbono. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han informado del primer nanosistema totalmente integrado para la fotosíntesis artificial. Mientras la "hoja artificial" es el término popular para tal sistema, la clave de este éxito fue un "bosque artificial."

"Similares a los cloroplastos en las plantas verdes que llevan a cabo la fotosíntesis, nuestro sistema fotosintético artificial se compone de dos semiconductores absorbentes de luz, una capa interfacial para el transporte de carga, y espacialmente separados por co-catalizadores," dice Peidong Yang, un químico con Materiales de la División de Ciencias de Berkeley Lab, quien dirigió esta investigación. "Para facilitar la división del agua solar en nuestro sistema, se sintetizó en forma de árbol heteroestructuras de nanocables, que consta de los troncos y ramas de silicio de óxido de titanio. Visualmente, las matrices de estas nanoestructuras se parecen mucho a un bosque artificial ".

El esquema muestra nanocables de TiO2 (azul) obtenidos en la mitad superior de un nanocable de Si (gris) y las dos regiones absorbentes diferentes del espectro solar. Las inserciones se muestran pares de orificios de electrones fotoexcitados separados por la interfaz del electrolito semiconductor para llevar a cabo la disociación del agua con la ayuda de co-catalizadores (puntos amarillos y gris).

Yang, es el autor principal de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano Letters. El documento se titula "Un Nanosistema completamente integrado de nanocables semiconductores para Dividir agua solar Directamente ". Coautores son Chong Liu, Jinyao Tang Hao Ming Chen y Liu Bin.
Las tecnologías solares son la solución ideal para la energía renovable de carbono-neutral, hay suficiente energía en una hora en el valor mundial de luz solar para satisfacer todas las necesidades humanas de un año. La fotosíntesis artificial, en la que la energía solar se convierte directamente en combustibles químicos, es considerada como una de las más prometedoras de las tecnologías solares. Un reto importante para la fotosíntesis artificial es producir suficiente hidrógeno barato para competir con los combustibles fósiles. Responder a este reto requiere un sistema integrado que puede absorber de manera eficiente la luz solar y producir portadores de carga para conducir la reducción del agua extraída y las semirreacciones de oxidación.

Peidong Yang (izquierda), Hao Ming Chen y Liu Chong (guantera) han desarrollado el primer sistema de fotosíntesis artificial a nanoescala totalmente integrado. (Foto por Roy Kaltschmidt)

"En la fotosíntesis natural la energía de la luz solar absorbida produce portadores de carga energizadas que ejecutan reacciones químicas en regiones separadas del cloroplasto", dice Yang. "Hemos integrado nuestra heteroestructura a nanoescala de nanocables en un sistema funcional que imita la integración en los cloroplastos y proporciona un modelo conceptual para una mejor eficiencia de conversión a combustible solar en el futuro."
Cuando la luz solar es absorbida por las moléculas del pigmento en un cloroplasto, se genera un electrón energizado que se mueve de molécula a molécula a través de una cadena de transporte hasta que en última instancia se impulsa a la conversión de dióxido de carbono en azúcares de carbohidratos. Esta cadena de transporte de electrones se llama un "esquema Z-" debido a que el patrón de movimiento se asemeja a la letra Z en su lado. Yang y sus colegas también utilizan un esquema Z en su sistema sólo se despliegan dos semiconductores abundantes y estables en la tierra - de silicio y óxido de titanio - cargados con co-catalizadores y con un contacto óhmico insertado entre ellos. El silicio se utilizó para el fotocátodo de generación de hidrógeno y óxido de titanio para el fotoánodo que genera oxígeno. La arquitectura de árbol se utiliza para maximizar el rendimiento del sistema. Como los árboles en un bosque real, las matrices densas de árboles artificiales de nanocables suprimen la reflexión de la luz del sol y proporcionan una mayor superficie para las reacciones que producen combustible.

"Una vez dada la iluminación pares de orificios de electrones por foto excitación, se generan por el silicio y el óxido de titanio, que absorben diferentes regiones del espectro solar," dice Yang. "Los electrones foto-generados en los nanocables de silicio migran a la superficie y reducen protones para generar hidrógeno, mientras que los orificios foto-generados en los nanocables de óxido de titanio oxidan agua para evolucionar a moléculas de oxígeno. Los portadores mayoritarios de carga tanto de los semiconductores se recombinan en el contacto óhmico, completando el relevo del esquema Z, similar a la fotosíntesis natural. "

Las matrices de nanocables en forma de árboles consistentes en troncos de Si y ramas de TiO2 facilitan división del agua solar en un sistema de fotosíntesis artificial totalmente integrado.

Bajo la luz solar simulada, este sistema de fotosíntesis artificial basada en en nanocables integrados para lograr un 0,12 por ciento en la eficiencia de conversión acombustible solar. Aunque comparable a algunas eficiencias de conversión fotosintética natural , esta tasa tendrá que ser mejorado sustancialmente para uso comercial. Sin embargo, el diseño modular de este sistema permite a los componentes individuales recién descubiertos a ser fácilmente incorporados para mejorar su rendimiento. Por ejemplo, señala Yang que la fotocorriente producida por los cátodos de silicio del sistema y los ánodos de óxido de titanio no coinciden, y que la producción de fotocorriente menor de los ánodos está limitando el rendimiento general del sistema.

"Tenemos algunas buenas ideas para desarrollar fotoanodes estables con un mejor rendimiento que el óxido de titanio", dice Yang. "Estamos seguros de que vamos a ser capaces de sustituir los ánodos de óxido de titanio en un futuro próximo y empujar la eficiencia de conversión de energía hasta en porcentajes de un solo dígito."

Fuente: Lawrence Berkeley National Laboratory.

LAS PLANTAS PODRÍAN UTILIZAR LA LUZ CON MAYOR EFICACIA PARA LA PRODUCCIÓNDE ALIMENTOS.

24 de Mayo de 2012.

Científicos de todo el mundo han estado estudiando las cuestiones relacionadas con cómo las plantas utilizan colores claros para la fotosíntesis durante más de 70 años. Ahora, una investigación sobre la eficacia de la fotosíntesis en distintas condiciones de iluminación ha respondido a algunas de las preguntas más importantes. Se ha demostrado que las plantas adaptan de manera eficiente a sus hojas los colores de luz presentes en los cuales crecen. De esta manera, utilizan la luz disponible tan eficazmente como sea posible. La investigación también demostró cómo las combinaciones específicas de diferentes colores de luz resulta en más fotosíntesis que la suma de los colores de luz individuales. Esta idea es importante, entre otras cosas, para reducir al mínimo el consumo de energía en la iluminación de invernaderos hortícolas. 

 

Además, los científicos descubrieron que los pigmentos de las hojas no están directamente involucrados en la fotosíntesis "disipan" la luz. Mientras que estos pigmentos no fotosintéticos absorben la luz, no la utilizan para la fotosíntesis. Este descubrimiento podría conducir al desarrollo de plantas que producen más alimentos al reducir la cantidad de estos pigmentos no fotosintéticos. Esto se aplica principalmente a cultivos "protegidos", tales como en invernaderos, en al menos algunos de los pigmentos no fotosintéticos que tienen una función de protección, por ejemplo contra demasiada luz UV o el daño por insectos. Estos factores son menos importantes en los cultivos de interior que en los de a campo abierto.

Los científicos de Wageningen UR y la agencia de investigación de iluminación vegetal del primer autor Sander Hogewoning está trabajando en traducir el nuevo conocimiento en innovaciones aplicables.

Fuente: Wageningen University, Physorg.

EL CRECIMIENTO VEGETAL SIN CONTROL DE LA LUZ: LOS FOTORRECEPTORES SINTÉTICOS ESTIMULAN LA GERMINACIÓN Y EL DESARROLLO.

16 de Mayo de 2012.

Las plantas son dependientes del sol. La luz del sol no sólo les proporcionan energía, sino que también controla los pasos del desarrollo. Los fotorreceptores, así llamados, activan en las células, los procesos de germinación, desarrollo de las hojas, la formación de brotes y la floración. El componente de absorción de luz de un fotorreceptor puede ser reemplazado por una sustancia sintética químicamente similar. Por primera vez, los efectos completos sobre las plantas se describen en la revista Plant cell.

"Las plantas se desarrollan en la oscuridad como si estuvieran expuestas a la luz", dice el Director de los estudios Tilman Lamparter, Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). Las semillas y plantas de berro fueron alimentadas con una sustancia sintética llamada "15Ea-phycocyanobilin". En la célula de la planta, esta sustancia reemplaza el componente natural, fotoactivo del fotorreceptor, el "phytochromobilin". La incorporación del 15Ea-PCB activa el fotorreceptor y a la planta se le hace creer que está expuesta a la luz. A pesar de la oscuridad, las plantas modelo germinan y crecen en forma similar a un grupo de control expuesto a la luz. "Se ha demostrado por primera vez que las sustancias sintéticas pueden causar efectos de luz en plantas enteras."

La plántula de la derecha se alimentó con un fotorreceptor sintético y abre los cotiledones. En el control de la oscuridad (plántulas a la izquierda), los cotiledones permanecen cerrados. Crédito: T. Lamparter, , KIT

Los fotorreceptores sinteticos pueden ser herramientas valiosas para la investigación, ya que facilitan el estudio de muchos procesos químicos de las plantas en comparación con los métodos convencionales de ingeniería genética. Aparte del crecimiento, la fotosíntesis también puede ser investigada mucho mejor. "El florecimiento de las flores o el desarrollo del sistema de fotosíntesis se puede controlar mucho mejor en el futuro", predice Lamparter, . "Estos hallazgos podrían ser de gran uso para la industria agrícola en el cultivo de flores y la producción de biomasa, por ejemplo." En el futuro, se prevé estudiar los aspectos relacionados con más detalle.

Fuente: Helmholtz Association of German Research Centres, The Plant Cell. 

SE DESCUBRE COMO LAS PLANTAS CRECEN EVITANDO LA SOMBRA.

15 de Abril de 2012.

Aunque parezcan de modales suaves, las plantas son extremadamente competitivas, sobre todo cuando se trata de obtener su parte justa de luz solar. Ya sea en un bosque o en una granja, donde las plantas crecen luchando por los rayos del sol.

El arma principal de una planta en esta lucha es la capacidad de crecer hacia la luz, recibiendo sólo la cantidad que necesita y el sombreado de su competencia. Ahora, los científicos del Instituto Salk para Estudios Biológicos han determinado con precisión cómo las hojas le señala a los tallos como crecer cuando una planta se ve atrapado en un lugar sombreado.
En un artículo publicado en Genes and Development, los investigadores informan que una proteína conocida como factor de interacción fitocromo 7 (PIF7) sirve como mensajero clave entre los sensores celulares de luz de una planta y la producción de auxinas, hormonas que estimulan el crecimiento del tallo. 

Esta es una planta de Arabidopsis thaliana. Crédito: Cortesía del Instituto Salk para Estudios Biológicos.

"Sabíamos cómo las hojas percibían la luz y que auxinas impulsan el crecimiento, pero no entendíamos la vía que conecta estos dos sistemas fundamentales", dice Joanne Chory, profesor y director del Laboratorio de Biología Vegetal de Salk y Howard Hughes, investigador del Instituto Médico. "Ahora que sabemos que la PIF7 es el transmisor, tenemos una nueva herramienta para desarrollar cultivos que optimizen el espacio en el campo y por lo tanto producir más alimentos o materias primas para biocombustibles y productos químicos biorenovables". 

Las plantas reunen información de inteligencia sobre su situación respecto a la luz ---- incluyendo si están rodeadas de otras plantas ladronas de luz ---- a través de moléculas fotosensibles en sus hojas. Estos sensores determinan si una planta se encuentra a plena luz del sol o a la sombra de otras plantas, basadas en la longitud de onda de la luz roja que golpea las hojas.

Si una planta necesita la luz del sol, como el berro Thale (Arabidopsis thaliana), los estudios de Chory con esta especie, ubicada en un lugar sombreado, los sensores dicen a las células en el tallo para alargarse, haciendo que la planta crezca hacia arriba, hacia la luz solar.

Planta de Arabidopsis thaliana.

Cuando una planta se mantiene en la sombra durante un período prolongado, sin embargo, es posible que florezca temprano y produzcan menos semillas en un último esfuerzo para ayudar a su descendencia en su propagación como bienes raíces más soleado. En agricultura, esta respuesta, conocida como síndrome de evasión de sombra, que resulta en la pérdida de rendimiento de los cultivos debido a las hileras plantadas cerca de otras plantas que bloquean la luz del otro.

Los científicos sabían que el pigmento que se encuentra en las hojas de los berros Thale, el fitocromo B (PHYB), está excitado por las longitudes de onda de luz roja que conduce la fotosíntesis, así como por la luz infrarroja cercana que está enriquecida en lugares con sombra. Pero nadie había encontrado una relación directa entre esta respuesta a la luz, y la respuesta de la hormona que impulsa el crecimiento en la sombra. 

En su estudio, Chory y sus colegas, incluyendo a Joseph R. Ecker, profesor en la Planta de Salk Molecular y Laboratorio de Biología Celular, utiliza los análisis bioquímicos y genómicos para identificar la PIF7, ya que el vínculo molecular clave entre los sensores de luz de una planta y la producción de auxinas.

Ellos demostraron que cuando una planta de berro se coloca en la sombra, una cascada de cambios moleculares se produce en las células de las hojas: el fotorreceptor PHYB causa cambios químicos en la PIF7, que entonces activa los genes que dirigen a la célula a producir auxinas.

"Ya sabíamos que la auxina se produce en las hojas y viaja a el tallo para estimular el crecimiento", dijo Chory. "Ahora sabemos cómo estimula en la sombra las hojas para producir auxina, y resulta que es una vía muy sencilla de controlar una función tan importante".
Añadió que los hallazgos podrían ofrecer nuevas vías para el desarrollo de cultivos con arquitecturas con tallos más adecuados en filas en terreno bien plantados, haciéndolos menos propensos al síndrome de eludir la sombra. Si tiene éxito, estos cultivos le producirá rendimientos más altos de alimentos y de biocombustibles que las variedades existentes.

Fuente: Instituto Salk.     

LAS PLANTAS PUEDEN TENER UN ÚNICO ANCESTRO.

17 de Febrero de 2012.

Por: Lin Edwards.

Se ha producido un debate entre los científicos desde la década de 1960 acerca de cómo las primeras especies vegetales surgieron entre 1 y 1,5 millones de años. La idea más aceptada es que el reino vegetal tuvo un ancestro único que se formó cuando un plastidio se unio en una unión simbiótica con una cianobacteria, y la nueva investigación agrega peso a esta hipótesis.
Los plastidios son una clase de orgánulos que incluye los cloroplastos. Los cloroplastos producen el color verde de las plantas y las algas verdes porque contienen el pigmento de la clorofila, que es capaz de convertir la energía de la luz en energía útil para la célula, en un proceso conocido como fotosíntesis.

Los plastidios se encuentran en todas las plantas verdes, en las glaucofitas, y en las algas rojas, y se conocen como plastos primarios. Originalmente eran las cianobacterias, que se incorporaron a la célula. Las glaucofitas son un grupo de algas verdeazuladas microscópicas se encuentran en agua dulce, y sólo 13 especies son conocidas, ninguna de las cuales es común. Ellas han sido poco estudiadas, a pesar de que algunos científicos han sugerido que puede ser las más parecidas a las algas originales que incorporó por primera vez una cianobacteria. 

Glaucocystis sp. Imagen: Wikipedia.

El equipo de investigación fue dirigido por la bioinformática Dana Price del Laboratorio de Bhattacharya en la Universidad Rutgers. El equipo de Price analizó el ADN de los plastos de la glaucofita Cyanophora paradoxa, una de las algas más primitiva que se conoce, y la comparó con la de plastidios de otras algas, tanto rojas como verdes, y de varias plantas terrestres.
Los análisis del ADN del plastidio de C. paradoxa demostró que conserva recuerdos de su evolución desde las primeras cianobacterias, ya que incluye los genes necesarios para la fermentación y la biosíntesis del almidón, pero también encontraron que el ADN incluye genes similares a los de antiguas bacterias similares a las bacterias Clamidias. 

Esta es una imagen esquemática del "fósil viviente" Cyanophora paradoxa que es un miembro del filo de algas Glaucophyta. La célula sólo mide alrededor de 7 micrones de ancho, tiene dos flagelos y un plasto verde-azul (se muestran aqui en división) de origen primario endosimbiótica que se comparte con las algas rojas, algas verdes y las plantas terrestres. Este plastidio conserva una pared de peptidoglicano que es un rasgo ancestral del endosimbionte cianobacterial. Crédito: Cortesía de Laboratorio Bhattacharya.

Los genes procedentes de las bacterias parecidas a las clamidias permiten que los productos de la fotosíntesis que tiene lugar en el plástido sean exportados al resto de la célula, y que también permiten que los fotosintatos sean polimerizados en polisacáridos para su almacenamiento.
El análisis genético sugiere que la incorporación de la cianobacteria tiene que haber ocurrido una sola vez y que requiere la cooperación entre la célula huésped, la cianobacteria fotosintéticas, y una bacteria similar a las clamidias. La cianobacteria (ahora llamada plastidios) proporcionó alimentos a partir de la luz solar, y la bacteria hizo que los otros productos de la fotosíntesis fueran disponibles para el huésped. 

El Dr. Bhattacharya, fue como después es nombrado el laboratorio de la Universidad de Rutgers, dijo que los tres componentes juntos formaron el nuevo orgánulo, pero que los genes también han sido reclutados de varias fuentes antes de que las paredes celulares se desarrollaron. Alrededor de 60 millones de años, una ameba llamada Paulinella también incorporó una cianobacteria fotosintétizante, y el Laboratorio Bhattacharya está analizando esta ameba para tratar de entender mejor el proceso.
El artículo fue publicado en la revista Science.

Fuente: Physorg, Science.