Un equipo internacional de investigadores ha logrado descifrar un secreto clave del Fotosistema II, un complejo proteínico de plantas, algas y cianobacterias, por el que obtienen la energía de la luz solar y la utiliza para dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos bajo la fotosíntesis.
Utilizando la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) del SLAC y el Láser Compacto de Electrones Libres SPring-8 Angstrom (SACLA) de Japón, investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory del Departamento de Energía y del SLAC National Accelerator Laboratory, en Estados Unidos, junto con colaboradores de la Universidad de Uppsala (Suecia) y la Universidad Humboldt (Alemania), entre otras instituciones, captaron por primera vez con detalle atómico lo que ocurre en los instantes finales que conducen a la liberación del oxígeno respirable. Los datos revelan un paso intermedio de la reacción que no se había observado antes.
Los resultados arrojan luz sobre cómo la naturaleza ha optimizado la fotosíntesis y están ayudando a los científicos a desarrollar sistemas fotosintéticos artificiales que imitan la fotosíntesis para aprovechar la luz solar natural y convertir el dióxido de carbono en hidrógeno y combustibles basados en el carbono.
«Cuanto más aprendamos sobre cómo lo hace la naturaleza, más cerca estaremos de utilizar esos mismos principios en procesos creados por el hombre, incluidas ideas para la fotosíntesis artificial como fuente de energía limpia y sostenible», afirma Jan Kern, coautor del estudio y científico del Laboratorio de la Universidad de Berkeley (Estados Unidos).
Por su parte, Junko Yano, coautora del estudio y también del Laboratorio de Berkeley, afirma que «el fotosistema II nos está dando el modelo para optimizar nuestras fuentes de energía limpia y evitar callejones sin salida y productos secundarios peligrosos que dañan el sistema. Lo que antes pensábamos que era sólo ciencia fundamental podría convertirse en una prometedora vía para mejorar nuestras tecnologías energéticas», asegura.
Fotosíntesis y Fotosistema II
Durante la fotosíntesis, el centro generador de oxígeno del Fotosistema II -un grupo de cuatro átomos de manganeso y uno de calcio conectados por átomos de oxígeno- facilita una serie de reacciones químicas desafiantes que actúan para separar una molécula de agua y liberar oxígeno molecular.
El centro pasa por cuatro estados de oxidación estables, conocidos como S0 a S3, cuando se expone a la luz solar. En sus experimentos, los investigadores sondearon este centro excitando muestras de cianobacterias con luz óptica y sondeándolas después con pulsos de rayos X ultrarrápidos procedentes del LCLS y el SACLA. Los datos revelaron la estructura atómica del cúmulo y el proceso químico en torno a él.
Gracias a esta técnica, los científicos pudieron observar por primera vez la carrera loca hacia el hogar, el estado transitorio o S4, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan y se libera una molécula de oxígeno. Los datos mostraron que hay otros pasos en esta reacción que nunca se habían visto antes.
«Otros expertos sostenían que se trataba de algo que nunca podría captarse”, recuerda Uwe Bergmann, coautor del estudio y científico y profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Realmente va a cambiar nuestra forma de pensar sobre el Fotosistema II».
El experto señala que, «aunque todavía no podemos decir que tengamos un mecanismo único basado en los datos, podemos excluir algunos modelos e ideas que la gente ha propuesto en las últimas décadas. Es lo más cerca que nadie ha estado nunca de capturar este paso final y mostrar cómo funciona este proceso con datos estructurales reales».
El nuevo estudio es el último de una serie realizada por el equipo a lo largo de la última década. Los trabajos anteriores se centraron en la observación de varios pasos del ciclo fotosintético a la temperatura a la que se produce en la naturaleza.
«La mayor parte del proceso que produce oxígeno respirable tiene lugar en este último paso”, explica Vittal Yachandra, coautor del estudio y científico del Laboratorio de Berkeley, “pero hay varias cosas que suceden en diferentes partes del fotosistema II y todas tienen que confluir al final para que la reacción tenga éxito».
En búsqueda de mayores detalles
Basándose en estos resultados, los investigadores planean realizar experimentos diseñados para captar muchas más instantáneas del proceso. «Todavía hay cosas que ocurren entre medias que no hemos podido captar”, afirma Kern. “Hay más instantáneas que realmente queremos tomar y que salvarían las lagunas restantes y contarían toda la historia».
Para ello, necesitan mejorar aún más la calidad de sus datos. En el pasado, este tipo de mediciones suponían un reto porque las señales de rayos X de las muestras son débiles y las velocidades a las que los láseres de rayos X existentes, como LCLS y SACLA, producen pulsos de rayos X son demasiado pequeñas.
«Nos costó mucho optimizar la configuración, por lo que no pudimos recopilar todos los datos que necesitábamos para esta publicación en un solo experimento”, explica Roberto Alonso-Mori, coautor y científico del SLAC. “En realidad, estos resultados incluyen datos tomados a lo largo de seis años».
Cuando a finales de este año se ponga en marcha una actualización del LCLS, denominada LCLS-II, la tasa de repetición se disparará de 120 pulsos por segundo a hasta un millón por segundo.
«Con estas mejoras, podremos recoger datos de varios días en unas pocas horas”, señala Bergmann. “También podremos utilizar rayos X blandos para comprender mejor los cambios químicos que se producen en el sistema». Estas nuevas capacidades seguirán impulsando esta investigación y arrojarán nueva luz sobre la fotosíntesis».
