Study of primary mechanisms of Photosynthesis in green algae by Ultrafast Vis-NIR spectroscopy

In recent years, the global energetic crisis has reintroduced the importance of looking for green and sustainable energy sources. Among them, solar energy stands as the most abundant and renewable energy source and in fact, photosynthesis constitutes the main solar energy conversion in our planet. Photosynthesis is performed by different organisms such as plants, bacteria and algae, being green algae one of the most interesting organisms to study as they are the most efficient source of biofuel and high value products of all of them. Nevertheless, its industrial exploitation is not so extended because of their lower light use efficiency value observed compared to the theoretical one expected. The principal reason for this difference lays on a photoprotective mechanism called Non-Photochemical Quenching (NPQ) which is activated under light stress conditions. NPQ consists in the release of excess energy as heat thanks to the action of a protein, LHCSR3, whose activation depends on the pH of the algal thylakoidal lumen solution, where LHCSR3 are located. The principal objective of this thesis consists in the in vitro study of NPQ in LHCSR3 of green algae Chlamydomonas Reinhardtii on its wild type and mutant strains from both biotechnological and physical points of view. In particular, the main goal of this thesis is the understanding of the molecular pathways of NPQ in LHCSR3 using ultrafast spectroscopic techniques such as time-resolved photoluminescence (TRPL) and transient absorption (TA).

Negli ultimi anni, la crisi energetica globale ha reintrodotto l'importanza di cercare fonti energetiche verdi e sostenibili. Tra questi, l'energia solare rappresenta la fonte di energia più abbondante e rinnovabile e, di fatto, la fotosintesi costituisce la principale conversione di energia solare nel nostro pianeta. La fotosintesi viene eseguita da diversi organismi come piante, batteri e alghe, essendo le alghe verdi uno degli organismi più interessanti da studiare in quanto sono la fonte più efficiente di biocarburanti e prodotti di alto valore di tutti. Tuttavia, il suo sfruttamento industriale non è così esteso a causa del loro valore di efficienza d'uso della luce inferiore osservato rispetto a quello teorico previsto. Il motivo principale di questa differenza risiede in un meccanismo fotoprotettivo chiamato Non-photochemical quenching (NPQ) che viene attivato in condizioni di stress leggero. NPQ consiste nel rilascio di energia in eccesso sotto forma di calore grazie all'azione di una proteina, LHCSR3, la cui attivazione dipende dal pH della soluzione di lume tiroideo algale, dove si trovano LHCSR3. L'obiettivo principale di questa tesi consiste nello studio in vitro di NPQ in LHCSR3 di alghe verdi Chlamydomonas Reinhardtii sul wild type e sui ceppi mutanti dal punto di vista sia biotecnologico che fisico. In particolare, l'obiettivo principale di questa tesi è la comprensione delle vie molecolari di NPQ in LHCSR3 utilizzando tecniche spettroscopiche ultraveloci come time-resolved fluorescence (TRF) e transient absorption (TA).