Científicos del Instituto Indio de Ciencias (IISC) y del Instituto de Tecnología de California (Caltech) finalmente han resuelto un enigma crónico sobre los primeros momentos de la fotosíntesis, que es un proceso vital a través del cual las plantas, las algas y bacterias específicas son el compuesto rico en oxígeno y energía.
Su investigación revela por qué los primeros movimientos de electrones importantes para la transferencia de energía ocurren sólo en un lado de una estructura original de proteína-pigmento. La búsqueda fue publicada. Actividades de la Academia Nacional de CienciasEl
Saloxyonia es una secuencia de reacciones en las que los electrones pasan entre múltiples moléculas de pigmento. Aunque ha sido probado durante décadas, el proceso es completamente difícil de explicar porque involucra numerosos elementos complejos, funciona en escalas de tiempo extremadamente rápidas y cambia algunas de las diferentes especies. Adquirir una idea más profunda de estos pasos puede ayudar a los científicos a desarrollar sistemas artificiales capacitados, como hojas sintéticas y tecnologías de combustibles solares, que replican los diseños de la naturaleza.
En la mayoría de las formas de vida que utilizan la fotosíntesis, el proceso comienza con el Complejo Proteína-Pigmento conocido como fotosistema II (PSII). Este complejo capta la luz del sol y divide las moléculas de agua, libera oxígeno y transmite electrones a otras moléculas en la cadena de transferencia de energía.
El PSII tiene casi dos ramas uniformes, conocidas como D1 y D2, rodeadas por cuatro moléculas de clorofila y dos pigmentos relacionados llamados feofitinas. Están decoradas con simetría y conectadas a un portador de electrones, conocido como plastokuinonas. Según la teoría, los electrones deberían pasar de la clorofila a la faofitina y luego de ambos a lo largo de las ramas hasta el plasticcoinon.
Sin embargo, las pruebas han demostrado consistentemente que los electrones simplemente pasan a través de la rama D1, una búsqueda que sorprende a los científicos a lo largo de los años. “A pesar de la simetría estructural entre las ramas de las proteínas D1 y D2 en PSII, sólo la rama D1 está efectivamente activa”, explicó el primer autor de la investigación del IISC y estudiante de doctorado Aditya Kumar Mondal.
Para investigar este desequilibrio, el equipo combina simulaciones de dinámica molecular, análisis de mecánica cuántica y la teoría de Marcus (un modelo transferido ganador del Premio Nobel) para trazar los patrones de energía de ambos caminos. “Hemos evaluado la eficiencia de las habilidades de transferencia de electrones a través de las ramas D1 y D2”, dijo un estudiante de doctorado del Departamento de Física y escritor.
El partido ha descubierto que en el ramal D2 existen muchas barreras energéticas, lo que hace que el transporte electrónico sea muy hostil. Específicamente, la transferencia de D1 de Fiophitin a Fiophitin requiere doble energía de activación de D1: una barrera que parece incapaz de superar los electrones impide que la energía avance.
Los investigadores también imitaron las características corriente-voltaje de ambas ramas y descubrieron que el D2 tenía una altura de dos dimensiones por encima de la resistencia al movimiento de los electrones.
Los investigadores sugieren que la asimetría en el flujo de electrones también se debe a las diferencias sutiles del entorno proteico alrededor del PSII y a la forma en que éste puede incrustar los pigmentos. Por ejemplo, el pigmento de clorofila en D1 tiene un estado de excitación de menor poder que la parte D2, lo que sugiere que el pigmento D1 tiene más posibilidades de atraer y transferir electrones.
Los investigadores también sugieren que algunos de estos componentes pueden aumentar o reorganizar el flujo de electrones a lo largo del PSII. Por ejemplo, la clorofila y la fofitina se pueden superar en D2, ya que la clorofila requiere menos energía activa que la piofitina.
“Nuestra investigación ha supuesto un paso importante en la comprensión de la iluminación natural”, dijo Prabal K Moti, profesor de física y uno de los autores de la investigación. “Estas búsquedas pueden ayudar a diseñar sistemas de iluminación artificial cualificados capaces de convertir la energía solar en combustible químico, contribuyendo a soluciones de energía renovable innovadoras y duraderas”.
Es una hermosa combinación de teoría en diferentes niveles que pone fin a un nuevo nivel de comprensión de un nuevo nivel, pero aún queda por desafiar el misterio, dijo Bill Gadder, profesor de Caltech y las autoridades.
