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10 de mayo de 2023

Jan Mary Anderson, tras el rastro de la luz

Diagrama simplificado de la fase luminosa y la asimilación fotosintética de la fotosíntesis en plantas.

La fotosíntesis es el proceso mediante el que las plantas y otros seres vivos utilizan la luz solar para producir materia orgánica –azúcares y compuestos orgánicos de nitrógeno y azufre– a partir de materia inorgánica –H2O, CO2 y compuestos inorgánicos de N (nitrato y amonio) y S (sulfatos)–, generando además O2 como subproducto. Transforma la energía contenida en los fotones lumínicos en energía química. En una primera fase (luminosa) se forman ATP (trifosfato de adenosina) y la coenzima NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Y en la segunda (asimilación fotosintética), la energía contenida en un enlace fosfato del ATP se transfiere a la molécula de azúcar que se forma al fijarse el CO2, y el NADPH aporta el hidrógeno necesario para reducir el CO2 (análogamente para N y S, formándose aminoácidos y otros compuestos orgánicos). De este proceso depende la inmensa mayoría de la vida en nuestro planeta, ya que es el que permite que la energía procedente del sol se transfiera al resto de seres vivos. Al estudio de la fotosíntesis dedicó su vida profesional la biofísica australiana de origen neozelandés Joan Mary Anderson, más conocida como Jan Anderson.

Malos profesores

Anderson nació en Dunedin un 12 de mayo de 1932, y se crio en Queenstown (Nueva Zelanda), donde cursó estudios primarios. Para hacer estudios secundarios tuvo que dejar su localidad natal y asistir a un instituto en el que, al parecer, no lo pasó nada bien, en especial por culpa de sus profesores de ciencias, a quienes consideraba verdaderos incompetentes. A ella, sin embargo, parece que le interesaban las ciencias, de manera que se propuso dedicarse profesionalmente a la enseñanza. Quería ser mejor profesora de lo que lo habían sido quienes le daban clase a ella.

Consiguió una beca del Departamento de Educación de Nueva Zelanda para formarse como profesora en la Universidad de Otago. La beca la obligaba a cursar los estudios y obtener el correspondiente título y, a continuación, a impartir docencia en enseñanza secundaria durante cinco años. Sin embargo, el contacto con la ciencia en la universidad hizo que se empezase a interesar por la investigación como carrera profesional. El caso es que acreditó suficiente talento y tuvo la fortuna necesaria para que le dieran una beca para cursar un máster en química orgánica; además de la beca, le concedieron una exención de dos años para cumplir el compromiso de la docencia en enseñanza secundaria. En el proyecto de máster extrajo y caracterizó químicamente dos pigmentos de color vino del hongo Daldinia concentrica.

Un cambio de vocación

Tras completar el máster, la fortuna no la abandonó. En primer lugar, la llamaron para que sustituyera a un profesor de baja en el Departamento de Química de Otago, lo que le permitió seguir investigando. Y en segundo lugar, le fue concedida una beca de un año para hacer investigación en los EE. UU. El problema era que estaba obligada a cumplir el compromiso docente en secundaria. Así que, ni corta ni perezosa, se entrevistó con el Ministro de Educación en persona y este accedió a concederle la exención que le permitía disfrutar de la beca en Norteamérica.

Jan Mary Anderson.

Un segundo golpe de suerte hizo que el premio Nobel Harold Urey estuviese visitando por entonces la Universidad de Otago para impartir una serie de conferencias, dos de ellas sobre fotosíntesis. Y tras entrevistarse con él, este la recomendó a Melvin Calvin, quien trabajaba en la Universidad de California en Berkeley y acabaría descubriendo la vía para la asimilación del CO2 en carbohidratos. A Calvin le concederían el premio Nobel en 1961 por ese descubrimiento. Al llegar a California, en septiembre de 1956, se encontró con que no podía incorporarse como investigadora visitante, sino que había de hacerlo como estudiante de doctorado. Pero la fortuna volvió a sonreírle y el Departamento de Educación de su país le concedió una beca de cinco años para que pudiese hacer la investigación doctoral.

Una joven doctoranda con ideas propias

Jan se dirigió entonces a Calvin para pedirle que le dirigiera la tesis. Se daba la circunstancia de que Calvin había decidido no aceptar a más estudiantes de doctorado de los que ya tenía, por lo que no era fácil que lo consiguiese. Pero lo logró, en parte porque contó con el apoyo de Ning Gin Pon, el estudiante de doctorado que más tiempo llevaba trabajando con Calvin. Para poner las cosas más difíciles, Anderson le dijo a Calvin que no le interesaban las líneas de investigación que él lideraba, de manera que le propuso trabajar en la biosíntesis de los pigmentos de clorofila. Este le respondió que si ella era quien proponía su propio proyecto de investigación, lo tendría que sacar adelante sin su ayuda, que «se hundiría o nadaría sola», sin su supervisión personal. Jan aceptó el reto. Desarrolló –bajo la supervisión informal de Ning Gin Pon– su proyecto de investigación en el que, valiéndose del 14C como trazador radiactivo, identificó los últimos pasos de la síntesis de la clorofila en el alga verde Scenedesmus. Los años de Berkeley fueron magníficos para ella, tanto por la cantidad de personas brillantes con las que pudo interactuar como por el privilegio de relacionarse con Melvin Calvin, a quien encantaba discutir ideas, plantear cuestiones o proponer hipótesis para debatir. Aunque tenía una beca de cinco años, completó su proyecto en tres; desestimó posibles oportunidades laborales en los EE. UU. y los dos años que le quedaron los utilizó para visitar Europa e Israel.

Al regresar a Nueva Zelanda, a Jan se le informó de su nombramiento como profesora senior de ciencias en el Wellington Girls College, el mejor instituto público para chicas del país. Pero Anderson no estaba por la labor de dejar la investigación para dedicarse a la enseñanza secundaria durante cinco años, por lo que decidió reembolsar la ayuda recibida para graduarse como profesora. Y se puso en contacto con John Falk, Jefe de la División de Industria Vegetal de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) en Canberra, a quien había conocido en Berkeley. Así empezó a trabajar en el laboratorio de Keith Boardman en 1961, iniciando una colaboración que consolidó la reputación de Canberra como centro de investigación de vanguardia en las reacciones luminosas de la fotosíntesis.

La senda de la luz

Por aquella época, Robin Hill y Faye Bendall, en Cambridge, acababan de proponer (en 1960) que la intercepción de la luz solar por dos fotosistemas independientes provocaba, por una parte, la disociación de la molécula de agua, liberándose oxígeno y produciendo protones y electrones y, por otra parte, el flujo de los mismos creaba la energía química y el poder reductor necesarios para asimilar el dióxido de carbono. Jan Anderson y Keith Boardman consiguieron separar dos componentes funcionales en los tilacoides (las membranas internas de los cloroplastos, los orgánulos celulares en los que ocurre la fotosíntesis), cada uno de los cuales absorbe diferentes longitudes de onda de luz solar. De esta forma hallaron una prueba experimental de la existencia de los dos «fotosistemas». La absorción de diferentes longitudes de onda por cada uno de ellos es consecuencia de su composición pigmentaria.

Gracias a sus trabajos sobre fotosíntesis, en 1966 Jan obtuvo una beca de la Carnegie Institution para hacer una estancia de investigación en el campus de la Universidad de Stanford en Palo Alto. Allí, en colaboración con los biofísicos Stacy French y David Fork, identificó y determinó los cambios espectrales inducidos por la luz en las células de algas fotosintéticas. Tras aquella estancia, Olle Björkman, de la Carnegie Institution se desplazó a Canberra en el bienio 1971-1972, para constituir una red de colaboración en torno a diversas cuestiones relativas a la fotosíntesis. Esa colaboración permanece activa en la actualidad.

Consecuencias de la huelga del carbón

En 1973 recibió una beca para trabajar en los laboratorios de biología de la Universidad de Harvard (EE. UU.), y en 1974, obtuvo una licencia sabática para desplazarse a la Universidad de Cambridge (RU). La intención de Jan era la de trabajar en el Departamento de Bioquímica con Derek Bendall en el aislamiento y caracterización de proteínas en membranas fotosintéticas durante su desarrollo. Pero en sus propósitos se interpuso una gran huelga de los mineros del carbón. Debido a la huelga el suministro de electricidad resultó ser tan errático que el trabajo de investigación de laboratorio solo podía hacerse durante dos días a la semana y, finalmente, debido a la explosión de un frigorífico, la investigación experimental cesó por completo durante varios meses. En palabras de la propia Anderson, «sin duda, esta fue la oportunidad más afortunada de mi carrera científica: tiempo ilimitado para pensar, en lugar de mi frenética investigación habitual». Aprovechó esa oportunidad para escribir una revisión sobre la organización molecular de las membranas fotosintéticas que consolidó su reputación.

Jan Anderson. Fuente: Trends in Plant Science.

Su revisión cubrió prácticamente todos los aspectos de la estructura y función de las membranas del cloroplasto, con casi 300 referencias. Estaba llena de hipótesis que describían cómo la clorofila podría estar asociada con las proteínas y cómo se organizaban los diversos componentes proteicos, los dos fotosistemas y los citocromos que ella había ayudado a descubrir, y cómo podían atravesar la membrana y organizarse asimétricamente de modo que las funciones pudiesen concentrarse en dominios particulares.

Uno de los colaboradores más importantes de Jan Anderson fue Bertil Andersson, un investigador sueco a quien conoció, en unas circunstancias curiosas, cuando este aún no había terminado su tesis doctoral. Al regresar del Congreso Internacional Trienal sobre Fotosíntesis, celebrado en la Universidad de Reading (RU) en 1977, «una vez más intervino la serendipia. Partiendo de la estación de tren de Reading, un joven sueco, Bertil Andersson, saltó por el andén y declaró que vendría a Australia a trabajar conmigo cuando terminara su doctorado, porque mi revisión de 1975 había sido su inspiración en Lund». Bertil había obtenido una beca de la EMBO (Organización Europea de Biología Molecular) para trabajar en el laboratorio de su elección en Europa, pero como su futura mentora, este era un tipo que no se rendía con facilidad, de manera que se fue desde Lund hasta Heidelberg haciendo autostop para convencer al director de la EMBO de que, al fin y al cabo, Canberra no estaba tan lejos de Europa. Y lo consiguió.

La colaboración Anderson-Andersson, que comenzó en 1979, también tuvo un éxito espectacular. Demostraron que los dos llamados fotosistemas estaban separados entre sí y que su distribución lateralmente heterogénea en la red de membranas fotosintéticas tenía profundas implicaciones funcionales. Tanto el centro de reacción del fotosistema II, como sus clorofilas y proteínas asociadas se encuentran mayormente en la parte central de los grana (tilacoides apilados). Sin embargo, el centro de reacción del fotosistema I, sus pigmentos antena asociados y la enzima que cataliza la formación de ATP se encuentran casi exclusivamente en las lamelas del estroma (tilacoides no apilados) y los extremos de los grana.

Aclimatación fotosintética y fotoinhibición

El laboratorio de Jan Anderson se convirtió, a partir de la década de los ochenta, en un polo de atracción de investigadores de numerosos países. A partir de entonces, Jan se propuso no solo describir con más detalle la composición proteica de los diferentes dominios de membrana que emergen del modelo que había propuesto, sino también comprender más claramente el significado funcional de esa organización de las membranas. Jan y sus colegas lideraron el campo de la aclimatación fotosintética, que es la capacidad de las plantas para adaptar su capacidad fotosintética a la luz, tanto la cantidad como la calidad de la luz, en todo el rango de irradiación, un factor crucial que les permite tener éxito en los hábitats que van desde suelos de bosques umbríos hasta desiertos a pleno sol. Las descripciones de la aclimatación de la membrana tilacoide a la intensidad de la luz y la calidad espectral realizadas durante este período fueron meticulosas y siguen siendo un estudio muy citado.

La investigación sobre la fotoaclimatación condujo a otra vía para Jan y sus colegas. Durante la década de 1980, las observaciones realizadas en varios laboratorios demostraron que en condiciones de alta intensidad de luz, el fotosistema II puede inhibirse, un fenómeno denominado fotoinhibición. Parte de este trabajo se realizó en Canberra, pero también, desde un enfoque molecular y bioquímico, en los laboratorios de otros colegas. Se demostró que esta pérdida de función surge del daño que causa la luz en el complejo pigmento-proteína del centro de reacción. Jan tuvo ideas fundamentales y originales en un área de investigación de la fotosíntesis que inicialmente no se pensaba que estuviera influida por la estructura y función de las membranas tilacoides. Una vez más, se encontró que la heterogeneidad lateral tenía un papel crucial, esta vez en la fotoinhibición.

Esquema de la etapa luminosa en la fotosíntesis, que se produce en los tilacoides. Wikimedia Commons.

Finale (con epílogo)

En 1994, el CSIRO decidió eliminar gradualmente la investigación de la fotosíntesis a mediados de 1997, cuando Jan debía jubilarse. Esta decidió entonces incorporarse al Grupo de Fotobioenergética en la Universidad Nacional de Australia (ANU) en mayo de 1996. Como Profesora Adjunta, Jan continuó su investigación, pero amplió sus tareas para asesorar a estudiantes, posdoctorados y otros investigadores al comienzo de sus carreras, tareas que seguía desempeñando activamente en el momento de su muerte.

Me ha parecido de interés incluir aquí, para terminar esta breve reseña biográfica de una de las investigadoras más importantes de biología de plantas del s. XX, unas palabras suyas que cada año que pasa cobran más importancia y actualidad:

Me siento extraordinariamente afortunada de que gran parte de mi trabajo se haya realizado en una era idílica anterior, cuando la investigación se juzgaba por su calidad excelente y, sobre todo, se fomentaba la creatividad. Se confiaba en los científicos más jóvenes para crear sus propios objetivos de investigación. Ahora parece que a menudo se asfixia la alegría del descubrimiento, de la investigación creativa y la propuesta de hipótesis para ser contrastadas que tanto disfruté. La mayoría de los científicos de hoy se encuentran limitados por una burocracia en constante expansión que responde a objetivos corporativos y nacionales que cambian a menudo y que los distraen de la búsqueda de objetivos a más largo plazo. Las incertidumbres de los sistemas competitivos de subvenciones con sus reglas en constante cambio también son definitivamente desconcertantes, consumen mucho tiempo y ciertamente son hostiles a la investigación creativa.

Honores y reconocimientos

University of New Zealand Senior Scholarship (1954), University of New Zealand PhD Scholarship (1956), King George VI Memorial Fellowship for New Zealand (1956), Carnegie Institution of Washington Fellowship, Plant Biology, Stanford, California (1965), Senior Charles Kettering Fellowship, Yellow Springs, Ohio (1966), Marie Cabbot Fellowship, Harvard University, Cambridge, Massachusetts (1973), Ann Horton Research Fellow, Newnham College, University of Cambridge (1974), Visiting Professor, University of California, Berkeley, in Molecular Plant Biology (1982), Lemberg Medallist and Lecturer, Australian Biochemical Society (1983), President of the Australian Society of Biophysics (1984/85), Distinguished Professor, Swedish National Research Council, University of Lund (1986), Fellow of the Australian Academy of Science (1987), Pacific Rim Fellowship, University of California, Berkeley (1989), President of the Australian Society of Plant Physiology (1992/93), Fellow of the Royal Society (1996), Robertson Medallist and Lecturer, Australian Society of Plant Physiologists (1998), Honorary Doctorate, University of Umeå, Sweden (1998), Centenary Medal Awardee, Federal Government of Australia (2000), ISI Thomson Highly Cited Researcher in Plant Biology (2002), Honorary Fellow, Newnham College, University of Cambridge (2003), ISI Thomson Australian Citation Laureate in Plant and Animal Biology (2004), Lifetime Achievement Award of the International Society of Photosynthesis Research, to acknowledge a lifetime of outstanding contributions to understanding photosynthesis (2007), Life Member of the Australian Society of Plant Scientists (2007), Australian Society of Biochemistry and Molecular Biology Certificate of Appreciation (2011).

 

Fuentes

 

Sobre el autor

Juan Ignacio Pérez (@Uhandrea) es catedrático de Fisiología y coordinador de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Fuente: Jan Mary Anderson, tras el rastro de la luz

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