Photoprotective mechanisms in chlorophyll-binding proteins studied by means of electron paramagnetic spectroscopies

La luce è essenziale nel sostenere il processo fotosintetico, e con esso la vita sulla terra, ma la fase luminosa della fotosintesi è anche piagata dalla formazione di pericolose specie ossidanti. La clorofilla a, molecola su cui si basa la fotosintesi ossigenica, ne è anche il principale tallone d’Achille, a causa della sua elevate probabilità di intersystem crossing (ISC) con la conseguente alta resa di tripletto, uno stato elettronico che può efficacemente foto-sensibilizzare l’ossigeno allo stato di singoletto. Gli organismi fotosintetici di conseguenza hanno sviluppato svariati meccanismi fotoprotettivi finalizzati a ridurre lo stress ossidativo causato dall’eccessivo assorbimento luminoso, che altrimenti ne causerebbe la morte. La fotoprotezione è essenziale per la vita sulla terra, ma è ancora incompleta la comprensione ad un livello molecolare per molti dei processi fotoprotettivi impiegati dagli organismi fotosintetici. La conoscenza dei diversi adattamenti della risposta foto-protettiva alle diverse condizioni ambientali nelle quali gli organismi fotosintetici si sono evoluti dovrebbe permettere di evidenziare le caratteristiche essenziali che un efficiente meccanismo foto-protettivo deve possedere. Questa comprensione delle caratteristiche molecolari necessarie per un’efficiente foto-protezione promette di essere sfruttabile nella progettazione di sistemi molecolari bio-mimetici nei campi della fotosintesi artificiale, della terapia fotodinamica e della fotocatalisi, di modo da rendere le molecole foto-attive più stabili in virtù di meccanismi fotoprotettivi specificatamene progettati. I più rapidi di questi processi fotoprotettivi nei sistemi fotosintetici naturali sfruttano i carotenoidi per foto-proteggere il sistema, sia tramite una diretta diseccitazione dello stato di tripletto della clorofilla tramite un trasferimento di energia tripletto-tripletto, che tramite una diretta diseccitazione dell’ossigeno di singoletto foto-prodotto. Con l’intento di studiare questi importanti processi fotoprotettivi, nel corso del mio dottorato abbiamo studiato il ruolo fotoprotettivo dei carotenoidi nei due principali macchinari fotosintetici, ovvero il Fotosistema I e il Fotosistema II. A causa della loro elevata complessità, essendo complessi multimerici formati dall’assemblaggio dei centri di reazione con numerose antenne, nella loro caratterizzazione abbiamo impiegato la Risonanza Magnetica Rilevata Otticamente (ODMR). Questa metodologia, essendo una tecnica di doppia risonanza, rende possibile lavorare su complessi sistemi multicromoforici permettendo di isolare i contributi dei singoli stati di tripletto presenti nei campioni d’interesse. Un approccio comparativo, basato in un caso sulla differente dimensione dei complessi e nell’altro su opportune mutazioni di enzimi coinvolti nella funzionalizzazione dei carotenoidi, ha permesso di ottenere nuove informazioni riguardanti i cammini di trasferimento energetico e i differenti ruoli che il β-carotene e le xantofille svolgono nella fotoprotezione dei due fotosistemi. Per accrescere la varietà di meccanismi fotoprotettivi caratterizzati con un livello di dettaglio molecolare, abbiamo iniziato a studiare un’inusuale proteina che lega la clorofilla, la Water-Soluble Chlorophyll-binding Protein (WSCP). Questo filone di ricerca è stato condotto nel contesto di un progetto congiunto tra le università di Padova e di Mainz. WSCP differisce significativamente dalle altre proteine che legano la clorofilla non essendo coinvolta nel processo fotosintetico. Questa proteina si è dimostrata essere un complesso incredibilmente stabile, capace di foto-proteggere efficacemente le clorofille che lega. Sorprendentemente questa foto-stabilità è raggiunta senza l’impiego di carotenoidi, contrariamente ad ogni altra proteina contente clorofilla nota. Combinando metodologie di indagine biochimiche e spettroscopiche, abbiamo caratterizzato in WSCP un nuovo meccanismo di fotoprotezione delle clorofille. Abbiamo infatti dimostrato che la resistenza delle clorofille legate da WSCP al danneggiamento foto-indotto dipende dalla localizzazione delle catene fittoliche tra le clorofille che formano un dimero in WSCP. Abbiamo quindi proposto un meccanismo foto-protettivo basato sulla capacità dei fittoli di limitare l’accesso dell’ossigeno di singoletto ai siti ossidabili delle clorofille.