Científicos del Instituto Indio de Ciencias (IISc) y el Instituto de Tecnología de California (Caltech) han revelado información clave sobre las primeras etapas de la fotosíntesis, un proceso fundamental que permite a las plantas, algas y ciertas bacterias aprovechar la luz solar para producir energía y oxígeno. Sus hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, arrojan luz sobre por qué los electrones pasan principalmente a través de un lado de un complejo crucial de proteína y pigmento.
La fotosíntesis consiste en una serie compleja de reacciones en las que los electrones circulan entre múltiples moléculas de pigmento. A pesar de haber sido estudiado durante décadas, comprender este complejo proceso ha resultado difícil de alcanzar debido a sus numerosos componentes, sus rápidas escalas de tiempo y pequeñas variaciones entre las diferentes especies. Profundizar en nuestro conocimiento de estos mecanismos podría allanar el camino para la creación de sistemas artificiales eficientes, como hojas sintéticas y tecnologías de combustible solar, que imiten el enfoque de la naturaleza.
En el corazón de la mayoría de los organismos fotosintéticos se encuentra el complejo proteína-pigmento conocido como Fotosistema II (PSII), que inicia el proceso capturando la luz solar y dividiendo las moléculas de agua. Esta reacción libera oxígeno y facilita la transferencia de electrones a moléculas posteriores en la cadena de transferencia de energía.
PSII tiene dos ramas casi idénticas llamadas D1 y D2, rodeadas de clorofila y pigmentos relacionados llamados feofitinas. Estas estructuras están dispuestas simétricamente y unidas a portadores de electrones conocidos como plastoquinonas. En un escenario ideal, los electrones fluirían a través de ambas ramas desde la clorofila hasta la feofitina y luego a la plastoquinona. Sin embargo, los hallazgos empíricos han demostrado que el flujo de electrones se produce principalmente a través de la rama D1, lo que plantea un misterio de larga data dentro de la comunidad científica.
Aditya Kumar Mandal, primer autor del estudio y candidato a doctorado en el IISc, aclara el misterio: «A pesar de la simetría estructural entre las ramas de las proteínas D1 y D2 en PSII, sólo la rama D1 es funcionalmente activa». Para resolver esta discrepancia, el equipo de investigación utilizó una combinación de simulaciones de dinámica molecular, análisis de mecánica cuántica y la teoría de Marcus, un modelo establecido que explica los mecanismos de transferencia de electrones.
La investigación demostró que la rama D2 tiene una barrera energética significativamente mayor para el transporte de electrones, lo que hace que dicho movimiento sea energéticamente desventajoso. Específicamente, el proceso de transferencia de feofitina a plastoquinona en la vía D2 requiere el doble de energía de activación en comparación con la vía D1, un obstáculo que los electrones encuentran difícil de superar.
Además, el equipo simuló las características corriente-voltaje de ambas ramas y descubrió que la resistencia al movimiento de los electrones en la ruta D2 era dos órdenes de magnitud mayor que la encontrada en la ruta D1. Los investigadores proponen que esta asimetría también puede deberse a pequeñas variaciones en el entorno proteico alrededor del PSII y a la incrustación de pigmentos en la estructura. Por ejemplo, el estado de excitación de la clorofila en D1 ocurre a un nivel de energía más bajo que su contraparte en D2, lo que aumenta la capacidad de D1 para atraer y transferir electrones.
Además, los investigadores sugieren que la alteración de elementos específicos dentro de la estructura podría mejorar o redirigir el flujo de electrones a través del PSII. Por ejemplo, reemplazar la clorofila y la feofitina en la rama D2 podría aliviar el bloqueo del transporte de electrones, ya que la clorofila requiere menos energía de activación que la feofitina.
Prabal K Maiti, profesor del IISc y autor correspondiente del estudio, enfatizó la importancia de estos hallazgos: «Nuestra investigación representa un importante paso adelante en la comprensión de la fotosíntesis natural. Estos conocimientos podrían ayudar a diseñar sistemas de fotosíntesis artificiales eficientes capaces de convertir la energía solar en combustibles químicos, contribuyendo así a soluciones de energía renovable innovadoras y sostenibles».
Bill Goddard, profesor de Caltech y uno de los autores correspondientes, comentó sobre el enfoque teórico multifacético del estudio para abordar un problema de larga data, que culminó en una comprensión más profunda y dejó algunos misterios para futuras investigaciones.
 and the California Institute of Technology (Caltech) have unveiled significant insights into the early){kind=link}