A pesar de su papel en dar forma a la vida como la conocemos, muchos aspectos de la fotosíntesis siguen siendo un misterio. Una colaboración internacional entre científicos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y varias otras instituciones está trabajando para cambiar eso.
Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
Los investigadores utilizaron el láser de rayos X Coherent Light Source (LCLS) de SLAC para capturar la imagen más completa y de mayor resolución hasta la fecha del fotosistema II, un complejo de proteínas clave en las plantas, las algas y las cianobacterias responsables de dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos . Los resultados fueron publicados hoy en la revista Nature .
Explosión de la vida
Cuando la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años, el paisaje del planeta no se parecía en nada a lo que es hoy. Junko Yano, uno de los autores del estudio y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, lo describe como «infernal». Los meteoros chisporroteaban en una atmósfera rica en dióxido de carbono y los volcanes inundaban la superficie con mares magmáticos.
Durante los siguientes 2.500 millones de años, el vapor de agua que se acumulaba en el aire comenzó a llover y formar océanos, donde apareció la primera vida en forma de organismos unicelulares. Pero no fue hasta que uno de esos puntos de la vida mutó y desarrolló la capacidad de aprovechar la luz del sol y convertirla en energía, liberando moléculas de oxígeno del agua en el proceso, que la Tierra comenzó a evolucionar hacia el planeta que es hoy. Este proceso, la fotosíntesis oxigénica, se considera una de las joyas de la corona de la naturaleza y se ha mantenido relativamente sin cambios en los más de 2 mil millones de años desde que surgió.
«Esta única reacción nos hizo como somos, como mundo. Molécula por molécula, el planeta se enriqueció lentamente hasta que, hace unos 540 millones de años, explotó con vida», dijo el coautor Uwe Bergmann, un distinguido científico del personal de SLAC. . «Cuando se trata de preguntas sobre de dónde venimos, este es uno de los más grandes».
Un futuro mas verde
Photosystem II es el caballo de batalla responsable de usar la luz solar para descomponer el agua en sus componentes atómicos, desbloqueando hidrógeno y oxígeno. Hasta hace poco, solo había sido posible medir piezas de este proceso a temperaturas extremadamente bajas. En un artículo anterior, los investigadores utilizaron un nuevo método para observar dos pasos de este ciclo de división del agua a la temperatura a la que ocurre en la naturaleza.
Ahora el equipo ha fotografiado los cuatro estados intermedios del proceso a temperatura natural y el mejor nivel de detalle hasta el momento. También capturaron, por primera vez, los momentos de transición entre dos de los estados, dándoles una secuencia de seis imágenes del proceso.
El objetivo del proyecto, dijo el coautor Jan Kern, científico del Laboratorio Berkeley, es reconstruir una película atómica utilizando muchos fotogramas de todo el proceso, incluido el difícil estado de transición al final que une los átomos de oxígeno de dos moléculas de agua. Para producir moléculas de oxígeno.
«El estudio de este sistema nos da la oportunidad de ver cómo los metales y las proteínas trabajan juntos y cómo la luz controla este tipo de reacciones», dijo Vittal Yachandra, uno de los autores del estudio y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que ha estado trabajando. En fotosistema II desde hace más de 35 años. «Además de abrir una ventana al pasado, una mejor comprensión del fotosistema II podría abrir la puerta a un futuro más verde, brindándonos inspiración para los sistemas fotosintéticos artificiales que producen energía limpia y renovable de la luz solar y el agua».
Línea de montaje de muestra
Para sus experimentos, los investigadores cultivan lo que Kern describió como un «granizado verde espeso» de cianobacterias, los mismos organismos antiguos que primero desarrollaron la capacidad de fotosíntesis, en una gran tina que está constantemente iluminada. Luego cosechan las células para sus muestras.
En LCLS, las muestras se mezclan con pulsos ultrarrápidos de rayos X para recopilar tanto la cristalografía de rayos X como los datos de espectroscopia para trazar un mapa de cómo fluyen los electrones en el complejo de fotosistema II que evoluciona el oxígeno. En la cristalografía, los investigadores utilizan la forma en que una muestra de cristal dispersa los rayos X para mapear su estructura; en espectroscopia, excitan los átomos en un material para descubrir información sobre su química. Este enfoque, combinado con un nuevo sistema de transporte de muestras en línea de ensamblaje, permitió a los investigadores reducir los mecanismos propuestos por la comunidad de investigación a lo largo de los años.
Mapeo del proceso
Anteriormente, los investigadores pudieron determinar la estructura de la temperatura ambiente de dos de los estados con una resolución de 2.25 angstroms; Un angstrom es del diámetro de un átomo de hidrógeno. Esto les permitió ver la posición de los átomos de metales pesados, pero dejó algunas preguntas sobre las posiciones exactas de los átomos más ligeros, como el oxígeno. En este documento, pudieron mejorar la resolución aún más, a 2 angstroms, lo que les permitió comenzar a ver la posición de los átomos más ligeros con mayor claridad, así como dibujar un mapa más detallado de la estructura química del centro catalítico metálico en El complejo donde se divide el agua.
Este centro, llamado complejo que evoluciona el oxígeno, es un grupo de cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio unidos por átomos de oxígeno. Recorre los cuatro estados de oxidación estable, S0-S3, cuando se expone a la luz solar. En un campo de béisbol, S0 sería el comienzo del juego cuando un jugador en la base está listo para batear. S1-S3 sería jugadores en primero, segundo y tercero. Cada vez que un bateador se conecta con una pelota, o el complejo absorbe un fotón de luz solar, el jugador en el campo avanza una base. Cuando se golpea la cuarta bola, el jugador se desliza hacia su casa, anotando una carrera o, en el caso del fotosistema II, liberando oxígeno respirable.
Los investigadores pudieron tomar fotos de cómo la estructura del complejo se transformó en cada base, lo que no habría sido posible sin su técnica. Un segundo conjunto de datos les permitió mapear la posición exacta del sistema en cada imagen, lo que confirma que, de hecho, habían captado los estados a los que apuntaban.
Deslizamiento en casa
Pero hay muchas otras cosas que suceden a lo largo de este proceso, así como los momentos entre los estados en los que el jugador está haciendo un descanso para la siguiente base, que es un poco más difícil de atrapar. Uno de los aspectos más significativos de este documento, dijo Yano, es que pudieron visualizar dos momentos entre S2 y S3. En los próximos experimentos, los investigadores esperan usar la misma técnica para obtener imágenes de más de estos estados intermedios, incluida la carrera loca para el hogar: el estado transitorio, o S4, donde dos átomos de oxígeno se unen entre sí, brindando información sobre la química de La reacción que es vital para imitar este proceso en sistemas artificiales.
«El ciclo completo toma casi dos milisegundos para completarse», dijo Kern. «Nuestro sueño es capturar 50 pasos de microsegundos a lo largo del ciclo completo, cada uno de ellos con la mayor resolución posible, para crear esta película atómica de todo el proceso».
Aunque todavía tienen mucho camino por recorrer, los investigadores dijeron que estos resultados proporcionan un camino a seguir, tanto para descubrir los misterios de cómo funciona la fotosíntesis como para ofrecer un plan para fuentes artificiales de energía renovable.
«Ha sido un proceso de aprendizaje», dijo Roberto Alonso-Mori, científico y coautor de SLAC. «Durante los últimos siete años, hemos trabajado con nuestros colaboradores para reinventar aspectos clave de nuestras técnicas. Hemos ido reduciendo lentamente esta pregunta y estos resultados son un gran paso adelante».
Más información: Jan Kern et al, Estructuras de los intermedios del reloj de oxidación con agua fotosintética de Kok, Nature (2018). DOI: 10.1038 / s41586-018-0681-2
Referencia del diario: Naturaleza
Proporcionado por: SLAC National Accelerator Laboratory
Información de: phys.org
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