A pesar de su papel en la configuración de la vida tal como la conocemos, muchos aspectos de la fotosíntesis siguen siendo un misterio. Una colaboración internacional entre científicos del SLAC National Accelerator Laboratory, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y varias otras instituciones están trabajando para cambiar eso. Los investigadores utilizaron el láser de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC para capturar la imagen más completa y de mayor resolución hasta la fecha del Photosystem II. un complejo proteico clave en las plantas, algas y cianobacterias responsables de dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos. Los resultados fueron publicados en Naturaleza hoy dia.

Explosión de 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 meteoritos chisporrotearon a través de una atmósfera rica en dióxido de carbono y los volcanes inundaron la superficie con mares magmáticos.

Durante los próximos 2.500 millones de años, El vapor de agua acumulado en el aire comenzó a llover y a formar océanos donde apareció la primera vida en forma de organismos unicelulares. Pero no fue hasta que una de esas motas de 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 hasta convertirse en el planeta que es hoy. Este proceso, fotosíntesis oxigenada, 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 el mundo. Molécula por molécula, el planeta se fue enriqueciendo lentamente hasta que, hace unos 540 millones de años, estalló de vida, "dijo el coautor Uwe Bergmann, un científico distinguido 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, sólo 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 obtenido imágenes de los cuatro estados intermedios del proceso a temperatura natural y con el mayor nivel de detalle hasta el momento. También capturaron, por primera vez, 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, un científico en Berkeley Lab, es reconstruir una película atómica utilizando muchos fotogramas de todo el proceso, incluido el escurridizo estado transitorio 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 el Fotosistema II durante 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 sistemas fotosintéticos artificiales que producen energía limpia y renovable a partir de la luz solar y el agua ".

Línea de montaje de muestra

Por sus experimentos, los investigadores cultivan lo que Kern describió como un "aguanieve verde espeso" de cianobacterias, los mismos organismos antiguos que desarrollaron por primera vez la capacidad de fotosíntesis, en una gran tina que está constantemente iluminada. Luego recolectan las células para sus muestras.

En LCLS, las muestras se someten a pulsos ultrarrápidos de rayos X para recopilar datos tanto de cristalografía como de espectroscopía de rayos X para trazar un mapa de cómo fluyen los electrones en el complejo de evolución de oxígeno del fotosistema II. En 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 de un material para descubrir información sobre su química. Este enfoque, combinado con un nuevo sistema de transporte de muestras en línea de montaje, permitió a los investigadores reducir los mecanismos propuestos presentados por la comunidad investigadora a lo largo de los años.

Mapeando el proceso

Previamente, los investigadores pudieron determinar la estructura de temperatura ambiente de dos de los estados con una resolución de 2,25 angstroms; un angstrom tiene aproximadamente el 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 oxigeno. En este papel, 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 de evolución de oxígeno, es un grupo de cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio puenteados con átomos de oxígeno. Recorre los cuatro estados de oxidación estables, 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 de casa está listo para ir al bate. S1-S3 serían jugadores en primer lugar, segundo, y tercero. Cada vez que un bateador 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 a casa, anotar una carrera o, en el caso del fotosistema II, liberando oxígeno respirable.

Los investigadores pudieron tomar fotografías de acción de cómo la estructura del complejo se transformó en cada base, que no hubiera sido posible sin su técnica. Un segundo conjunto de datos les permitió mapear la posición exacta del sistema en cada imagen, confirmando que de hecho habían imaginado los estados a los que apuntaban.

Deslizándose en casa

Pero hay muchas otras cosas que suceden a lo largo de este proceso, así como momentos entre estados en los que el jugador está haciendo una pausa para la siguiente base, que son un poco más difíciles de atrapar. Uno de los aspectos más significativos de este trabajo, Yano dijo, es que pudieron imaginar dos momentos entre S2 y S3. En los próximos experimentos, los investigadores esperan utilizar la misma técnica para obtener imágenes de más de estos estados intermedios, incluyendo la loca carrera hacia casa, el estado transitorio, o S4, donde dos átomos de oxígeno se unen, proporcionando información sobre la química de la reacción que es vital para imitar este proceso en sistemas artificiales.

"El ciclo completo tarda casi dos milisegundos en completarse, ", Dijo Kern." Nuestro sueño es capturar pasos de 50 microsegundos durante todo el ciclo, cada uno de ellos con la mayor resolución posible, para crear esta película atómica de todo el proceso ".

Aunque todavía les queda mucho camino por recorrer, los investigadores dijeron que estos resultados proporcionan un camino a seguir, tanto al desvelar los misterios de cómo funciona la fotosíntesis, y en ofrecer un plan para las fuentes artificiales de energía renovable.

"Ha sido un proceso de aprendizaje, ", dijo el científico y coautor de SLAC, Roberto Alonso-Mori." Durante los últimos siete años hemos trabajado con nuestros colaboradores para reinventar aspectos clave de nuestras técnicas. Lentamente hemos ido resolviendo esta cuestión y estos resultados son un gran paso adelante ".