Cianobatteri come fonte di energia rinnovabile?

Cianobatteri. Il grafico ha permesso ai ricercatori di visualizzare i diversi geni che si attivano nei cianobatteri per permetter loro di passare dalla fotosintesi alla fissazione dell'azoto dal giorno alla notte

Richland, Washington – Grazie ad un nuovo modello al computer di alga blu-verde, sarà possibile prevedere quale dei geni dell’organismo sono fondamentali per catturare l’energia dalla luce solare e per altri processi critici.

Descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Molecular BioSystems, il modello potrebbe far avanzare gli sforzi per produrre fonti di energia da biocarburanti dalle alghe blu-verdi, note come cianobatteri. I ricercatori del Dipartimento di Energia del Pacific Northwest National Laboratory, Washington University di St. Louis e della Purdue University ha sviluppato un modello, che è stato fatto per i cianobatteri unicellulari marini chiamati Cyanothece 51142.

“Il nostro modello è il primo nel suo genere per i cianobatteri”, ha detto l’autore principale dello studio, il biologo computazionale Jason McDermott. “I modelli precedenti hanno solo indagato su aspetti specifici dei cianobatteri”.

La ricerca, finanziata dal governo americano in quanto altamente strategico, ha incoraggiato gli scienziati ad adottare un approccio di biologia dei sistemi per comprendere la rete di geni e proteine ​​che sono responsabili per la fotosintesi e la fissazione dell’azoto nei cianobatteri.

I cianobatteri sono degni di nota perché condividono le capacità sia delle piante e microbi, costituendo un caso davvero unico nel mondo biologico. Usano l’energia del sole per sintetizzare lo zucchero come le piante fanno attraverso la fotosintesi. E, come i microbi, i cianobatteri convertono l’azoto atmosferico – un nutriente importante per molti organismi – in una forma accessibile, un processo chiamato fissazione dell’azoto.

Lavorando giorno e notte

Molti cianobatteri fisicamente separano la loro attività fotosintetica e la fissazione dell’azoto in cellule diverse. Ma il Cyanothece è insolito, in quanto la stessa cellula passa tra queste due funzioni ogni 12 ore. Produce lo zucchero grazie alla luce del giorno e poi passa la notte a rompere le molecole di zucchero per fissare l’azoto e per produrre altri composti, attività che richiedono l’energia solare immagazzinata durante il giorno nelle molecole di zucchero.

“Capire quali geni il Cyanothece 51142 attiva per avviare e interrompere la fotosintesi e altre importanti funzioni di produzione di energia, potrebbe permetterci di utilizzare meglio i cianobatteri per produrre energia rinnovabile”, McDermott ha detto. I geni servono come modello per la creazione di proteine, gli ingranaggi essenziali nella vita della cellula.

I ricercatori – molti dei quali lavorano ora anche sul modello – hanno sequenziato il Cyanothece nel 2008. Ma sapere quanti geni ha un organismo non spiega necessariamente che cosa fanno questi geni. Così gli scienziati hanno continuato a studiare il Cyanothece in laboratorio. Facendo un semplice grafico lineare di quando i diversi geni sono stati espressi nel corso di un ciclo di 24 ore, McDermott e i suoi co-autori hanno visto che molti geni sono stati espressi a livelli simili e in momenti a volte simili. Il team ha ipotizzato che tali geni siano stati quindi coinvolti in processi ciclici come la fotosintesi e la fissazione dell’azoto.

Ma non c’è sempre una linea retta tra un gene attivato e un processo cellulare. A volte una serie di geni devono essere accesi o spenti prima che un processo possa iniziare. Per capire meglio queste complesse relazioni, McDermott ha realizzato un grafico circolare che illustra come i geni vengono espressi durante tutto il giorno. Ogni punto del grafico rappresenta un gene che viene espresso in un particolare momento. Linee che collegano i punti mostrano come alcuni geni correlati sono espressi uno dopo l’altro in una serie.

“Questo modello può servire come un primo passo verso una simulazione completa del Cyanothece”, ha detto McDermott. “Conoscere il funzionamento dettagliato interno dei cianobatteri potrebbe essere utile per progettare metodi efficaci di produzione di bioenergia e per gestire il ciclo del carbonio, come ad esempio la fissazione dell’anidride carbonica e degli altri gas serra”.