Ésa es, en parte, la razón por la que los investigadores del Laboratorio de Investigación de Plantas Energéticas (PRL, por sus siglas en inglés) del Departamento de Energía de la Universidad Estatal de Michigan están estudiando cómo se mueven los electrones dentro de los nanocristales de proteínas. Al hacerlo, descubrieron que las teorías anteriores sobre el tema podrían no aplicarse en todos los casos. Su último trabajo para conciliar teoría y realidad ha dado lugar a una publicación reciente en el Journal of Chemical Physics. .

La historia hasta ahora

En 2020, investigadores del laboratorio de Dave Kramer en el PRL observaron el flujo de electrones apuntando una fuente de luz a un cristal hecho de proteínas que contenía muchas moléculas llamadas hemo. Las moléculas de hemo realizan una serie de procesos biológicos importantes, como transportar oxígeno y electrones.

Los investigadores descubrieron que la velocidad a la que los electrones saltan de un grupo hemo a otro dependía en gran medida de la temperatura del cristal. Este efecto de la temperatura es muy importante porque puede indicar cómo los electrones realizan sus saltos. ¿Tienen que superar una gran barrera como un saltador con pértiga, o hacen saltos más superficiales como un saltador de longitud? Según la teoría anterior, que utilizaba algunos supuestos simplificadores, no debería haber dependido de la temperatura.

"Obtuvimos un resultado que está muy alejado de las teorías simplificadas", afirmó Jingcheng Huang, autor del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio de Kramer.

"La teoría funciona siempre que las constantes de velocidad estén en el orden de magnitud correcto, excepto si se empieza a cambiar la temperatura", continuó Josh Vermaas, profesor asistente en el PRL y autor del estudio.

Esta extraña dependencia de la temperatura ha dado lugar hasta ahora a dos artículos que intentan explicar estos resultados. El primero fue publicado en el Journal of the American Chemical Society en 2020. El artículo más reciente se publica en el Journal of Chemical Physics. .

Un partido parcial

Como una persona que cruza un arroyo saltando de roca en roca, los electrones viajan a través de los cristales saltando de hemo en hemo. Los investigadores pudieron rastrear dónde están los electrones en el cristal según el color.

Los hemos cambian de color (de rojo a rosa) y la propagación del cambio de color permite a los investigadores observar cómo se mueven los electrones en el cristal. Lo que sorprendió a los investigadores fue que el cambio de color estaba controlado más drásticamente por la temperatura en comparación con lo que predecía la teoría actual.

Utilizando simulaciones por computadora conocidas como dinámica molecular con la ayuda del Instituto de Investigación Cibernética de MSU, los investigadores mostraron cómo esta transferencia de energía (el movimiento de electrones) ocurre en un corto período de tiempo.

"La simulación por computadora confirma lo que hemos observado experimentalmente, al menos más de cerca que la teoría simplificada", dijo Huang. "La teoría y el experimento coinciden parcialmente, pero todavía hay algunas cosas que no se incluyeron en la ecuación".

"Recibimos una respuesta", dijo Vermaas. "Pero todavía está sucediendo algo raro."

Para este artículo, los investigadores de PRL se asociaron con William Parson, profesor de bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. El trabajo anterior de Parson ayudó a sentar las bases para la investigación de PRL e invocó la teoría ganadora del premio Nobel de Rudolph Marcus para explicar la rapidez con la que los electrones pueden saltar de un hemo a otro.

"Dave sabía que había estado intentando generalizar la ecuación semiclásica de Marcus para reacciones de transferencia de electrones y encontrar formas de evitar sus supuestos más problemáticos", explicó Parson. "Entonces, cuando Jingcheng y Dave descubrieron que la transferencia de electrones en los cristales del pequeño citocromo tetrahema era mucho más lenta de lo que predecía la ecuación de Marcus, Dave me preguntó si tenía alguna sugerencia. Ese desafío me mantuvo despierto por más de tres años". P>

Aún queda mucho por descubrir sobre este misterio, especialmente para los investigadores que trabajan para conectarlo con la energía a través del principal enfoque de investigación de PRL:la fotosíntesis.

"El objetivo inicial de mi proyecto es tratar de redirigir la energía del aparato fotosintético a otros objetivos, por ejemplo, a enzimas que puedan producir biocombustibles", dijo Huang.

"Este tipo de cristales u otros medios de transferencia de electrones potencialmente similares podrían usarse para alimentar ese tipo de cosas", dijo Vermaas. "Estamos muy lejos, pero ese es el objetivo general."