La luz proporciona la energía que las plantas y otros organismos fotosintéticos necesitan para crecer, lo que en última instancia produce los metabolitos que alimenta los demás organismos del planeta. Las plantas también dependen de las señales de luz para desarrollar su maquinaria fotosintética y para sincronizar sus ciclos de vida en torno a los ritmos diarios y estacionales. 

Por ejemplo, las vías fotorreceptoras en las plantas permiten determinar a qué profundidad se debe planta la semilla en el suelo, “medir” la disminución de las horas de luz del día y alterar el desarrollo de una planta para prepararla para el inicio del verano o el comienzo del invierno. 

Una nueva investigación de la Universidad de Washington en St Louis proporciona nueva información de cómo las proteínas llamadas fitocromos perciben la luz y contribuyen al crecimiento de las plantas. 

«Los fitocromos son únicos entre los fotorreceptores porque existen en dos estados estables pero interconvertibles: una forma inactiva que se sintetiza en la oscuridad y otra que requiere la luz para su activación» explica Richard D. Vierstra, el profesor de biología George y Charmaine Mallinckrodt en Artes y Ciencias.

«Midiendo las proporciones de estas dos formas mientras se mueven de un lado a otro, los fitocromos pueden percibir la intensidad de la luz, la duración, el color de la luz e incluso la duración del día. La forma en que estas formas oscuras y claras difieren ha permanecido oculta  a pesar de 60 años de investigación en fotorreceptores.»

Vierstra y sus colaboradores superaron un gran obstáculo para definir la secuencia de eventos que apoyan la transición entre los estados adaptados a la luz y a la oscuridad. Descubrieron y caracterizaron una forma cristalina del fotorreceptor PixJ de la cianobacteria Thermosynechococcus elongatus – una que permite la fotoconversión reversible entre las formas activas e inactivas. Sorprendentemente, los cristales conservan su integridad durante el proceso de fotoconversión. Sethe Burgie, científico investigador en biología en Artes y Ciencias y primer autor del paper, fue capaz de recoger los datos de difracción de rayos X de alta resolución necesarios para identificar los intermediarios de la vía de reacción, utilizando una sofisticada técnica llamada cristalografía de rayos X.

Los investigadores deberían ahora ser capaces de utilizar los recién desarrollados láseres de electrones libres de rayos X para adquirir instantáneas estructurales de este cristal de fitocromo, ya que inicialmente absorbe la luz a través de su fotorreceptor inactivo hasta que adquiere su estado activo completamente maduro, un proceso que se completa en un milisegundo.

En una prueba preliminar, el grupo de Vierstra fue capaz de ver el primer movimiento del fotorreceptor como la parte de su cromóforo que captura la energía de la luz que rota al ser fotoactivada. «Estamos ahora en la cúspide de la definición de los eventos internos y la secuencia de los cambios físicos que ocurren dentro de los fitocromos a medida que se mueven entre los estados biológicamente inactivos y activos, lo que en última instancia ayudará a los investigadores a actuar sobre las plantas para mejorar su rendimiento agrícola y la sostenibilidad».

La comprensión de los fundamentos estructurales del ciclo de fotoconversión es un paso importante hacia el desarrollo de fitocromos modificados que dotan a las plantas de cultivo de propiedades beneficiosas para la detección de la luz.

«Además, como los fitocromos perciben tanto la luz como la temperatura, la alteración de la función de los fitocromos tiene un gran potencial para adaptar mejor los cultivos a entornos específicos y podría ayudar a ampliar la gama de estos cultivos», concluye Vierstra.