Pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) resolveram um enigma de longa data sobre os primeiros passos da fotossíntese, o processo fundamental pelo qual plantas, algas e algumas bactérias capturam energia da luz solar para produzir oxigênio e energia química.
O estudo, publicado nos Anais da Academia Nacional de Ciências, revela por que os movimentos iniciais de elétrons, cruciais para a transferência de energia, ocorrem apenas em um dos braços de um complexo proteico-pigmento chave. A pesquisa pode contribuir para o desenvolvimento de sistemas fotossintéticos artificiais mais eficientes, como folhas artificiais e células a combustível, que imitam a fotossíntese natural.
Durante a fotossíntese, um complexo proteico-pigmento chamado Fotossistema II (PSII) inicia o processo ao capturar energia da luz solar e dividir a água, fornecendo moléculas de oxigênio e elétrons que são transferidos para proteínas e moléculas subsequentes. O PSII possui dois braços idênticos, chamados D1 e D2, nos quais moléculas de clorofila e feofitina estão dispostas simetricamente. Esses braços também estão ligados a moléculas transportadoras de elétrons chamadas plastoquinonas. Os elétrons fluem primeiro da clorofila para a feofitina, e então da feofitina para a plastoquinona.
No entanto, estudos anteriores mostraram que os elétrons parecem fluir apenas ao longo do braço D1, um mistério que intrigava os pesquisadores. A pesquisa atual utilizou uma combinação de simulações de dinâmica molecular, cálculos mecânico-quânticos e teoria de Marcus para mapear a paisagem energética do movimento de elétrons em ambos os braços. Os pesquisadores descobriram que o braço D2 possui uma barreira de energia muito mais alta, tornando o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a transferência de elétrons da feofitina para a plastoquinona no D2 requer o dobro da energia de ativação do que no D1, uma barreira que os elétrons parecem não conseguir superar, impedindo o fluxo de energia para frente.
A assimetria no fluxo de elétrons também pode ser influenciada por diferenças sutis no ambiente proteico ao redor do PSII e na forma como os pigmentos estão incorporados nele. Por exemplo, o pigmento de clorofila no D1 possui um estado de excitação em uma energia mais baixa do que o seu homólogo no D2, sugerindo que o pigmento D1 tem uma chance maior de atrair e transferir elétrons.
Os pesquisadores também sugerem que a modificação de alguns desses componentes pode aumentar ou reconfigurar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, a troca de clorofila e feofitina no D2 poderia superar o bloqueio de elétrons, pois a clorofila necessita de menos energia de ativação do que a feofitina.
Essas descobertas representam um avanço significativo na compreensão da fotossíntese natural e podem ajudar no design de sistemas fotossintéticos artificiais eficientes capazes de converter energia solar em combustíveis químicos, contribuindo para soluções inovadoras e sustentáveis de energia renovável.