Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) y del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han resuelto un misterio de larga data en los primeros pasos de la fotosíntesis, el proceso fundamental mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias capturan energía de la luz solar para producir oxígeno y energía química.
El equipo ha demostrado por qué los movimientos iniciales de electrones, críticos para la transferencia de energía, ocurren solo a través de una de las dos ramas de un complejo proteico-pigmento clave. Este hallazgo se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
La fotosíntesis implica una serie de reacciones en cadena en las que los electrones se transfieren a través de múltiples moléculas de pigmento. A pesar de ser ampliamente estudiada, no se comprende completamente debido a la complejidad de los componentes involucrados y a la velocidad ultrarrápida de la transferencia de energía. Entender estos procesos puede ayudar a diseñar sistemas de fotosíntesis artificiales más eficientes, como hojas artificiales y celdas de combustible.
En la mayoría de los organismos, un complejo proteico-pigmento llamado Fotosistema II (PSII) inicia la fotosíntesis al capturar energía de la luz solar y dividir el agua, proporcionando moléculas de oxígeno y suministrando electrones que se trasladan a proteínas y moléculas posteriores.
El PSII contiene dos ramas idénticas, llamadas D1 y D2, alrededor de las cuales se disponen simétricamente cuatro moléculas de clorofila y dos de feofitina. Estas ramas también están conectadas a moléculas transportadoras de electrones llamadas plastoquinonas. Los electrones fluyen primero de la clorofila a la feofitina, y luego de la feofitina a la plastoquinona.
Sin embargo, estudios han mostrado que los electrones parecen fluir solo a través de la rama D1, un misterio que ha desconcertado a los investigadores durante mucho tiempo. "A pesar de la simetría estructural entre las ramas D1 y D2 en el PSII, solo la rama D1 es funcionalmente activa", afirma Aditya Kumar Mandal, primer autor y estudiante de doctorado en el Departamento de Física del IISc.
En este estudio, los investigadores utilizaron una combinación de simulaciones de dinámica molecular, cálculos cuánticos y la teoría de Marcus para mapear el paisaje energético del movimiento de electrones en ambas ramas. "Evaluamos la eficiencia de la transferencia de electrones paso a paso a través de las ramas D1 y D2", comenta Shubham Basera, estudiante de doctorado en el Departamento de Física y coautor del estudio.
El equipo descubrió que la rama D2 presenta una barrera energética mucho más alta, lo que hace que el transporte de electrones sea desfavorable desde el punto de vista energético. Específicamente, la transferencia de electrones de la feofitina a la plastoquinona en D2 requiere el doble de energía de activación que en D1, una barrera que los electrones parecen no poder superar, impidiendo que la energía fluya hacia adelante.
Estos hallazgos podrían ayudar a diseñar sistemas de fotosíntesis artificiales eficientes capaces de convertir la energía solar en combustibles químicos, contribuyendo a soluciones energéticas sostenibles e innovadoras.