Piense en un tren que baja por las vías hasta un punto de cambio donde podría ir a la derecha oa la izquierda, y siempre va a la derecha.

Los organismos fotosintéticos tienen un punto de cambio similar. Después de que se absorbe la luz del sol, la energía se transfiere rápidamente a una proteína llamada centro de reacción. Desde este punto, los electrones podrían moverse a un conjunto de moléculas de rama A (o "vía derecha"), oa un conjunto de moléculas idénticas de rama B ("vía izquierda").

Una nueva investigación de la Universidad de Washington en St. Louis y el Laboratorio Nacional de Argonne persuaden a los electrones por el camino que normalmente no viajan, lo que mejora la comprensión de los primeros eventos de fotosíntesis impulsados ​​por la luz. Los hallazgos aparecen en la edición del 31 de diciembre de procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

"En el centro de reacción bacteriana, un electrón va a la rama A de las moléculas el 100% del tiempo. Lo hemos hecho pasar a las moléculas de la rama B el 90% del tiempo, "dijo Christine Kirmaier, profesor investigador de química en las artes y las ciencias.

"Después de todo, si crees que entiendes cómo funcionan el tren y las vías, ¿Por qué no debería poder hacer que el tren vaya a la izquierda en lugar de a la derecha? Eso es esencialmente lo que hemos hecho "Dijo Kirmaier.

"Por qué han evolucionado dos pistas sigue siendo una cuestión abierta, pero la capacidad de controlar qué pista se utiliza es emocionante, "dijo Philip D. Laible, biofísico de la división de biociencias del Laboratorio Nacional Argonne y otro autor principal del artículo.

"Nos gustaría hacer que el cambio entre ellos sea un fenómeno más bien entendido para que podamos conducir electrones fácilmente (perdón por el juego de palabras) a cualquier destino en un proceso biológico, ", dijo." Ahora mismo, estamos controlando características que permiten que los electrones atraviesen una membrana biológica, el primer paso para producir energía a partir de la luz solar en este organismo ".

Reingeniería de un camino

Plantas Las algas y las bacterias fotosintéticas convierten la energía de la luz solar en unidades de carga separada que utilizan para impulsar los procesos de vida en la Tierra. Y lo hacen de una manera muy específica:los centros de reacción en estos organismos presentan dos arreglos similares a imágenes especulares de cofactores de proteínas y pigmentos, los lados A y B. Sólo una de estas cadenas está activa, el lado A, mientras que el lado B está en silencio.

Kirmaier, con el colaborador Dewey Holten, profesor de química en la Universidad de Washington, y el equipo del Laboratorio Nacional Argonne han diseñado muchas iteraciones de mutantes fotosintéticos con el objetivo de lograr la separación de carga utilizando la rama B en su lugar. La nueva investigación rediseña una vía en una bacteria fotosintética púrpura, una de las células solares de la naturaleza.

"Utilizando la biología molecular, hemos estado cambiando los aminoácidos alrededor de los pigmentos para intentar encontrar la combinación mágica para hacer que la rama B funcione, " ella dijo.

El juego consistía en hacer cambios estructurales que desafinen, o hacer menos óptimo, transferencias de electrones a lo largo del lado A o la ruta normal, y luego, al mismo tiempo, acelerar las reacciones a lo largo del lado B.

Los investigadores pudieron acelerar este proceso de prueba y error probando todos los aminoácidos posibles en un sitio objetivo específico en el lado A o B, encontrar uno o más que mejoren el rendimiento del lado B. Luego llevaron ese "golpe" hacia adelante en el fondo mutante para sondear el siguiente sitio objetivo, etcétera.

"Fue inesperado, ", Dijo Kirmaier." Elegimos un sitio, y en uno de nuestros mejores trasfondos mutantes, colocó los 20 aminoácidos allí, y uno de ellos nos dio un rendimiento del 90% ".

"Este es un gran logro y algo que [todos en] el campo han estado tratando activamente de averiguar durante décadas, desde que vimos por primera vez las dos vías en un estudio estructural de alto perfil en Nature hace casi 35 años, "dijo Deborah K. Hanson de la división de biociencias, Laboratorio Nacional Argonne, otro autor principal del PNAS papel.

Repensar la historia de la fotosíntesis

El nuevo trabajo ilumina los principios básicos de estructura-función que gobiernan la eficiencia, transferencia de electrones inducida por la luz.

Este conocimiento puede ayudar al diseño de sistemas biohíbridos y bioinspirados para la conversión y el almacenamiento de energía. dijeron los investigadores. Los hallazgos también provocarán experimentos y análisis adicionales.

"Los resultados plantean muchas preguntas sobre lo que se requiere para obtener una separación de carga unidireccional, "Dijo Holten.

En naturaleza, Las bacterias púrpuras realizan la separación de carga inicial con un proceso de dos pasos que se lleva a cabo en varias billonésimas de segundo. Pero la nueva solución de rama B del equipo obtiene casi el mismo rendimiento, aunque utiliza un proceso en tándem de un solo paso que tarda entre 5 y 10 veces más.

"En la historia original de la fotosíntesis, tal vez tal combinación de procesos rápidos de dos pasos y procesos más lentos de un paso dio un rendimiento del 80 o 90%, y luego, tiempo extraordinario, optimizó, "Dijo Holten.