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Investigadores trazan el camino de la luz en la fotosíntesis

Investigadores trazan el camino de la luz en la fotosíntesis
En la foto se muestra la configuración óptica ultrarrápida del Laboratorio de espectroscopia óptica multidimensional ultrarrápida de la Universidad de Michigan. Crédito: Yin Song y Rong Duan

Hace tres mil millones de años, la luz pasó por primera vez a través de la clorofila dentro de pequeños centros de reacción, el primer paso que dan las plantas y las bacterias fotosintéticas para convertir la luz en alimento.


por la Universidad de Michigan


Las heliobacterias, un tipo de bacteria que utiliza la fotosíntesis para generar energía, tiene centros de reacción que se cree que son similares a los de los ancestros comunes de todos los organismos fotosintéticos. Ahora, un equipo de la Universidad de Michigan ha determinado los primeros pasos para convertir la luz en energía para esta bacteria.

«Nuestro estudio destaca las diferentes formas en que la naturaleza ha hecho uso de la arquitectura básica del centro de reacción que surgió hace más de 3.000 millones de años», dijo la autora principal y física de la UM Jennifer Ogilvie. “Queremos comprender en última instancia cómo se mueve la energía a través del sistema y termina creando lo que llamamos el ‘estado de carga separada’. Este estado es la batería que impulsa el motor de la fotosíntesis «.

laser 2.jpeg Los organismos fotosintéticos contienen proteínas de «antena» que están empaquetadas con moléculas de pigmento para recolectar fotones. La energía recolectada se dirige luego a «centros de reacción» que impulsan los pasos iniciales que convierten la energía luminosa en alimento para el organismo. Estos pasos iniciales ocurren en escalas de tiempo increíblemente rápidas: femtosegundos o una millonésima de una mil millonésima de segundo. En un abrir y cerrar de ojos, esta conversión ocurre muchos billones de veces.

Los investigadores están interesados ​​en comprender cómo se produce esta transformación. Nos da una mejor comprensión de cómo las plantas y los organismos fotosintéticos convierten la luz en energía nutritiva. También brinda a los investigadores una mejor comprensión de cómo funciona la energía fotovoltaica y la base para comprender cómo construirla mejor.

Cuando la luz incide en un organismo fotosintético, los pigmentos dentro de la antena reúnen fotones y dirigen la energía hacia el centro de reacción. En el centro de reacción, la energía empuja a un electrón a un nivel de energía más alto, desde el cual se mueve a una nueva ubicación, dejando una carga positiva. A esto se le llama separación de carga. Este proceso ocurre de manera diferente según la estructura del centro de reacción en el que ocurre.

En los centros de reacción de las plantas y la mayoría de los organismos fotosintéticos , los pigmentos que orquestan la separación de cargas absorben colores de luz similares, lo que dificulta la visualización de la separación de cargas. Usando las heliobacterias, los investigadores identificaron qué pigmentos inicialmente donan el electrón después de que son excitados por un fotón, y qué pigmentos aceptan el electrón.

Las heliobacterias son un buen modelo para examinar, dijo Ogilvie, porque sus centros de reacción tienen una mezcla de clorofila y bacterioclorofila, lo que significa que estos diferentes pigmentos absorben diferentes colores de luces. Por ejemplo, dijo, imagínese tratando de seguir a una persona entre la multitud, pero todo el mundo lleva chaquetas azules, está mirando desde la distancia y solo puede tomar instantáneas de la persona que se mueve entre la multitud.

«Pero si la persona que estaba observando llevaba una chaqueta roja, podría seguirla mucho más fácilmente. Este sistema es algo así: tiene marcadores distintos», dijo Ogilvie, profesor de física, biofísica y ciencia e ingeniería macromolecular.

Anteriormente, las heliobacterias eran difíciles de entender porque se desconocía la estructura de su centro de reacción. La estructura de las proteínas de membrana, como los centros de reacción, es notoriamente difícil de determinar, pero el coautor de Ogilvie, el bioquímico de la Universidad Estatal de Arizona Kevin Redding, desarrolló una forma de resolver la estructura cristalina de estos centros de reacción.

Para investigar los centros de reacción en heliobacterias, el equipo de Ogilvie utiliza un tipo de espectroscopia ultrarrápida llamada espectroscopia electrónica multidimensional, implementada en el laboratorio de Ogilvie por el autor principal y becario postdoctoral Yin Song. El equipo apunta una secuencia de pulsos de láser muy cortos y cuidadosamente cronometrados a una muestra de bacterias. Cuanto más corto sea el pulso láser, más amplio espectro de luz puede excitar.

Cada vez que el pulso láser golpea la muestra, la luz excita los centros de reacción internos. Los investigadores varían el tiempo de retraso entre los pulsos y luego registran cómo cada uno de esos pulsos interactúa con la muestra. Cuando los pulsos golpean la muestra, sus electrones se excitan a un nivel de energía más alto. Los pigmentos de la muestra absorben longitudes de onda específicas de luz del láser (colores específicos) y los colores que se absorben brindan a los investigadores información sobre la estructura del nivel de energía del sistema y cómo fluye la energía a través de él.

«Ese es un papel importante de la espectroscopia: cuando solo miramos la estructura de algo, no siempre es obvio cómo funciona. La espectroscopia nos permite seguir una estructura mientras está funcionando, mientras la energía se absorbe y se abre paso a través de los primeros pasos de conversión de energía «, dijo Ogilvie. «Debido a que las energías son bastante distintas en este tipo de centro de reacción, realmente podemos obtener una visión inequívoca de hacia dónde se dirige la energía».

Obtener una imagen más clara de este transporte de energía y separación de carga permite a los investigadores desarrollar teorías más precisas sobre cómo funciona el proceso en otros centros de reacción.

«En plantas y bacterias, se cree que el mecanismo de separación de cargas es diferente», dijo Ogilvie. «El sueño es poder tomar una estructura y, si nuestras teorías son lo suficientemente buenas, deberíamos poder predecir cómo funciona y qué sucederá en otras estructuras, y descartar mecanismos que sean incorrectos».



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