Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis han rastreado los caminos de tres canales de agua en un organismo fotosintético antiguo para proporcionar el primer estudio experimental de cómo ese organismo usa y regula el agua para crear energía.

La fotosíntesis es la conversión química de la luz solar en energía química a través de una cadena de transporte de electrones esencial para casi toda la vida en nuestro planeta. Todas las plantas operan por fotosíntesis, al igual que las algas y ciertas variedades de bacterias.

Himadri B. Pakrasi, Myron y Sonya Glassberg / Profesora distinguida y directora de la Universidad Albert y Blanche Greensfelder, Centro Internacional de Energía, Medio Ambiente y Sostenibilidad, investigador postdoctoral Daniel A. Weisz, y Michael L. Gross, profesor de química, estudió al bisabuelo de todos los organismos fotosintéticos, una cepa de cianobacterias, para desarrollar el primer mapa experimental del mundo acuático de ese organismo.

El hallazgo avanza la investigación de la fotosíntesis, pero también presenta un avance en la investigación de combustibles verdes:

Para convertir la luz solar en una forma de energía utilizable, Los organismos fotosintéticos requieren agua en el "sitio activo" del complejo proteico del Fotosistema II. Pero los canales a través de los cuales llega el agua al sitio activo son difíciles de medir experimentalmente. Las especies reactivas de oxígeno se producen en el sitio activo y se alejan de él. en la dirección opuesta como el agua, dejando un "rastro de daño" a su paso.

"Identificamos los sitios dañados en el Fotosistema II utilizando espectrometría de masas de alta resolución y descubrimos que revelan varias vías centradas en el sitio activo y que se alejan de él hasta la superficie del complejo. "dijo Weisz, autor principal del artículo que apareció en la edición del 17 de noviembre de Avances de la ciencia . "Proponemos que estas vías representen canales dentro del complejo que podrían usarse para llevar agua al sitio activo".

"El fotosistema II tiene un mecanismo muy complejo, y es muy importante comprender sus procesos y su evolución, "dijo Pakrasi, que ha investigado ampliamente las cianobacterias durante más de 25 años. "Existe un interés creciente en la energía verde, y nuestro conocimiento del comportamiento de esta enzima podría utilizarse algún día para crear un sistema artificial que imite la enzima real para producir una cantidad abundante de energía sostenible ".

El sitio activo del Fotosistema II es un grupo de manganeso, iones de calcio y oxígeno enterrados profundamente dentro del complejo, lejos del medio acuoso de la celda. Los investigadores han especulado durante mucho tiempo que el sitio activo, o racimo de manganeso, debe tener un sistema de canales, y teórico, Los modelos generados por supercomputadoras han predicho tenuemente su existencia. Pero el movimiento del agua es difícil de caracterizar experimentalmente.

Los investigadores tomaron un camino indirecto para delinear los canales. El "rastro de daño" se compone de 36 residuos de aminoácidos de esencialmente tres proteínas que se encuentran cerca del grupo de manganeso por el espectrómetro de masas altamente sofisticado del químico Gross, quien fue co-asesor de doctorado de Weisz junto con Pakrasi y también está designado a la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington por su trabajo en espectrometría de masas. Estas dañinas especies reactivas de oxígeno, también conocidos como radicales, emanan y se dispersan desde el grupo hacia afuera hacia el medio acuoso de la célula. Los radicales atraviesan el Fotosistema II como un tornado, atacando y dañando los componentes de aminoácidos más cercanos del Fotosistema II que encuentran a lo largo de su camino.

Debido a que los radicales y el agua tienen propiedades similares, como el tamaño y la hidrofilia, los investigadores proponen que las rutas de los rastros de daños que salen del cúmulo son muy similares a las rutas que el agua toma hacia adentro hacia el sitio activo.

"Estamos observando directamente los caminos que toman los radicales, no los del agua, ", Dijo Weisz." Pero dadas las propiedades similares de los radicales al agua, así como los resultados de modelos informáticos anteriores, creemos que esos caminos son los mismos que el agua toma hacia adentro ".

Este enfoque para descubrir los canales de agua se considera un proxy porque se basa en el movimiento de los radicales altamente reactivos y no en el agua en sí.

El proxy Weisz dijo:"es como dejar un rastro de pan rallado a lo largo de un camino en el bosque. Si alguien puede encontrar el pan rallado, pueden volver sobre el camino tomado fuera del bosque ".

Los investigadores pudieron identificar los muchos residuos dañados debido a la increíble precisión, velocidad y sensibilidad del instrumento de espectrometría de masas de Gross. "Con instrumentos anteriores que eran más lentos y menos sensibles, fue más difícil identificar con seguridad un gran número de sitios dañados, ", Dijo Weisz." Las poderosas capacidades de este instrumento nos permitieron obtener estos resultados ".

"Las cianobacterias son las progenitoras de los cloroplastos en las plantas, "Dijo Pakrasi." El fotosistema II se conserva en todos los organismos fotosintéticos oxigenados. Sabemos con certeza que la naturaleza ideó esta máquina solo una vez, luego lo transfirió de las cianobacterias a las algas y las plantas ".