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Resuelven misterio de la fotosíntesis

Laboratorio Nacional Argonne
Los científicos han resuelto una parte crítica del misterio de la fotosíntesis. Imagen: ScienceDaily

Las plantas han estado aprovechando la energía del sol durante cientos de millones de años. Las algas y las bacterias fotosintéticas han estado haciendo lo mismo por más tiempo, todo con notable eficiencia y resistencia.

No es de extrañar, entonces, que los científicos hayan intentado durante mucho tiempo comprender exactamente cómo lo hacen, con la esperanza de utilizar este conocimiento para mejorar dispositivos creados por el hombre, como paneles solares y sensores.

«Tenemos una gran oportunidad aquí para abrir disciplinas completamente nuevas de reacciones bioquímicas impulsadas por la luz, que no han sido imaginadas por la naturaleza. Si podemos hacer eso, eso es enorme«, dijo el biofísico de Argonne, Philip Laible.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne en colaboración con la Universidad de Washington en St. Louis, resolvieron recientemente una parte crítica de este antiguo misterio, centrados en los eventos iniciales ultrarrápidos a través de los cuales las proteínas fotosintéticas captura la luz solar y la usa para iniciar una serie de reacciones de transferencia de electrones.

En los organismos fotosintéticos, estos procesos comienzan con la absorción de un fotón de luz por los pigmentos (clorofila) de las hojas.

Cada fotón impulsa un electrón a través de una membrana ubicada dentro de compartimientos especializados dentro de la célula. El equipo de investigación ha obtenido una valiosa información sobre los pasos iniciales de este proceso: el viaje del electrón.

Hace casi 35 años, cuando se dio a conocer la primera estructura de este tipo de complejos, los científicos se sorprendieron al descubrir que después de la absorción de la luz, los procesos de transferencia de electrones enfrentaron un dilema: hay dos vías posibles para que el electrón viaje.

En la naturaleza, las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas usan solo una de ellas, y los científicos no tenían idea de por qué.

Lo que sí sabían era que la propulsión del electrón a través de la membrana, que efectivamente cosechaba la energía del fotón, requería múltiples pasos.

Los científicos han logrado interferir con cada uno de ellos para cambiar la trayectoria del electrón.

«Hemos estado en este camino durante más de tres décadas, y es un gran logro que abre muchas oportunidades«, dijo Dewey Holten, químico de la Universidad de Washington.

El reciente artículo de los científicos, publicado en la revista PNAS, muestra cómo descubrieron una versión de ingeniería de este complejo de proteínas que cambió la utilización de los caminos, habilitando el que estaba inactivo mientras que deshabilita el otro.

«Es notable que hayamos logrado cambiar la dirección de la transferencia de electrones inicial«, dijo Christine Kirmaier, químico de la Universidad de Washington y líder del proyecto. «En la naturaleza, el electrón eligió un camino el 100% del tiempo. Pero a través de nuestros esfuerzos, hemos podido hacer que el electrón cambie a la ruta alternativa el 90% del tiempo. Estos descubrimientos plantean preguntas interesantes para futuras investigaciones«.

Como resultado de sus esfuerzos, los científicos ahora están más cerca que nunca de poder diseñar sistemas de transferencia de electrones en los que puedan enviar un electrón por el camino de su elección.

«Esto es importante porque estamos ganando la capacidad de aprovechar el flujo de energía para comprender los principios de diseño que conducirán a nuevas aplicaciones de sistemas abióticos«, dijo Laible. «Esto nos permitiría mejorar en gran medida la eficiencia de muchos dispositivos alimentados por energía solar, lo que podría hacerlos mucho más pequeños. Aquí tenemos una tremenda oportunidad para abrir disciplinas completamente nuevas de reacciones bioquímicas impulsadas por la luz, que no han sido imaginadas por la naturaleza. Si podemos hacer eso, eso es enorme«.

Fuente: Laboratorio Nacional de Argonne

Artículo: Laible, P. D., Hanson, D. K., Buhrmaster, J. C., Tira, G. A., Faries, K. M., Holten, D., & Kirmaier, C. (2020). Switching sides—Reengineered primary charge separation in the bacterial photosynthetic reaction centerProceedings of the National Academy of Sciences117(2), 865-871.

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