Todos los días, suficiente luz solar llega a la Tierra para alimentar el planeta muchas veces, si solo pudiéramos capturar más eficientemente toda la energía.
Con los paneles solares de hoy limitados por su eficiencia actualmente, más del 80 por ciento de la energía solar disponible se pierde en forma de calor, los científicos han estado buscando en la naturaleza como inspiración para comprender mejor la forma en que las plantas y bacterias fotosintéticas capturan la luz solar.
"La invención de la naturaleza de la fotosíntesis es el proceso de conversión de energía más importante que impulsa la biosfera, y la fotosíntesis cambió para siempre la atmósfera de la Tierra", dijo Raimund Fromme, profesor asociado de investigación en el Centro de Biología Estructural Aplicada del Instituto de Biodesign de la ASU y en la Escuelade Ciencias Moleculares.
Hace más de 3 mil millones de años, nuestro planeta tenía una atmósfera sin oxígeno. En este momento, la naturaleza descubrió una forma de capturar la luz solar y convertirla en alimento para aprovechar esta fuente de energía eterna.
Ahora, un grupo de investigación dirigido por Fromme ha adquirido nuevos conocimientos importantes al resolver con una claridad casi atómica, la primera estructura de proteína de membrana central en la bacteria fotosintética más simple conocida, llamada Heliobacterium modesticaldum Helios era el dios griego del sol.
Al resolver el corazón de la fotosíntesis en esta bacteria amante del sol y que habita en el suelo, el equipo de investigación de Fromme ha adquirido una nueva comprensión fundamental de la evolución temprana de la fotosíntesis y cómo este proceso vital difiere entre los sistemas de las plantas.
Su descubrimiento proporciona a los científicos una nueva plantilla para sentar las bases para el diseño de paneles solares de base orgánica, conocidos como "hojas artificiales" para la energía solar, o posibles aplicaciones de biocombustibles renovables.
Los hallazgos aparecen en la edición de hoy de ciencia .
La naturaleza sabe mejor
ASU ha sido durante mucho tiempo un líder de investigación de larga data en fotosíntesis, desde su primera década como universidad de investigación en la década de 1970. Fue un ajuste natural para los científicos atraídos por la belleza única del desierto de Sonora que, con sus 300-más días de sol anual, es simplemente el mejor lugar en la nación para capturar energía solar.
Los paneles solares de Life, que los científicos llaman fotosistemas, son utilizados por plantas, algas y bacterias fotosintéticas como un sistema increíblemente eficiente para capturar casi todos los fotones de luz disponibles para crecer y prosperar, llenando casi todos los rincones de la tierra.
Fromme es parte de un gran grupo de investigación de biología estructural en ASU, que constantemente está adquiriendo una mejor comprensión al tomar fotografías de las proteínas clave que trabajan dentro de los centros de reacción de fotosíntesis para ayudar a convertir la luz en energía.
"Para comprender verdadera y completamente la fotosíntesis, uno tiene que seguir el proceso de convertir la luz en energía química", dijo Fromme. "Esta es una de las reacciones químicas más rápidas jamás estudiadas, que es parte de lo que hace que sea tan difícil de estudiary entender."
Las escalas de tiempo de la fotosíntesis convierten un rayo en un ritmo similar a un caracol en comparación. Las reacciones de fotosíntesis ocurren en la escala de picosegundos, que es una billonésima de segundo. Un picosegundo es de un segundo como un segundo es de 37,000años.
Pero los biólogos estructurales de ASU están utilizando tecnología de rayos X cada vez más poderosa para un día alcanzar la luz al capturar imágenes de proteínas congeladas en el marco congelado durante todo el proceso.
Relámpago en una botella
En un esfuerzo por estudiar la fotosíntesis, Fromme exploró la fotosíntesis en su forma más simple, en heliobacterias, que se encontraron por primera vez en suelos fangosos cerca de las aguas termales.
Las heliobacterias unicelulares son más simples, pero fundamentalmente diferentes a las plantas. Por ejemplo, durante la fotosíntesis, en lugar de usar agua como plantas, las heliobacterias usan sulfuro de hidrógeno. Crecen sin oxígeno y, después de la fotosíntesis, desprenden un azufre con olor a huevo podridogas en lugar de oxígeno.
Las heliobacterias han usado su lugar único para crear con éxito su propio nicho ecológico porque usan una longitud de onda de luz infrarroja cercana para la fotosíntesis, que es perfecta para condiciones de poca luz que se encuentran en lugares como Islandia o arrozales de agua con barro. Las plantas simplemente puedenno competir
Los científicos han querido entender cómo las heliobacterias logran esto.
Reacción a la acción
En el corazón de la fotosíntesis hay un centro de reacción; es un complejo complejo de pigmentos y proteínas que convierten la luz en electrones para alimentar la célula.
La clorofila es el pigmento que hace que las plantas sean verdes. En las plantas, la clorofila captura la energía del sol y la usa para producir azúcares a partir del dióxido de carbono del aire y el agua.
La fotosíntesis oxigenada en plantas superiores, algas verdes y cianobacterias utilizan Photosystem I PSI, que es un RC Tipo I, y Photosystem II PSII, que es un RC Tipo II. Estos trabajan juntos para extraer electrones del aguapara ferredoxina y finalmente reducir un portador de energía NADP + a NADPH.
En contraste, bacterias fototróficas anoxigenicas, tales como Heliobacterium modesticaldum , use un solo RC para impulsar una vía de transferencia electrónica de electrones ET que crea una fuerza motriz de protones a través de la membrana, que se utiliza para impulsar la producción de energía y el metabolismo mediante la síntesis de ATP.
Los centros de reacción encierran a estos participantes como una jaula para capturar eficientemente toda la energía disponible y los fotones de luz al reunir todos los elementos en la misma vecindad.
Los centros de reacción RC vienen en dos sabores principales de cofactores: hierro Tipo I o quinona Tipo II.
Las heliobacterias tienen el centro de reacción más simple conocido y usan clorofilas únicas.
El descubrimiento de heliobacterias condujo a la identificación de características únicas para su RC en la década de 1990, el ex presidente de química de ASU, Robert Blankenship, dirigió por primera vez un grupo para ayudar a secuenciar y caracterizar los RC de heliobacterias.
Se ha propuesto que las heliobacterias RC son lo más cercano vivo al ancestro común más antiguo de todos los centros de reacción fotosintética, cuando, hace unos 3 mil millones de años, la Tierra primitiva contenía mares ricos en azufre y poco oxígeno.
Pero la purificación exitosa de una proteína RC y el crecimiento de cristales necesarios para los experimentos de rayos X pueden ser un proceso largo y difícil.
En particular, el proyecto de investigación de Fromme se inició hace siete años cuando la investigadora postdoctoral Iosifina Sarrou mejoró por primera vez la preparación del centro de reacción heliobacteriana. Después de muchas pruebas iniciales de cristalización, se encontró una carga de cristal difractor de rayos X.
"Este es el momento que un cristalógrafo está esperando", dijo Fromme, explicando los años que puede tomar para cultivar el cristal de proteína perfecto adecuado para estudios de rayos X.
Dos al tango
Poco después de estos resultados alentadores, Christopher Gisriel se unió al equipo y mejoró la calidad de difracción a la calidad final de 2.2 Angstroms.
Aún así, el equipo de investigación no pudo resolver una estructura cristalográfica.
Esta pausa tomó dos años hasta agosto de 2016. Luego, finalmente, se produjo un gran avance.
En este punto "comenzó un descubrimiento emocionante en territorio desconocido, ya que cada nueva clorofila fue animada", recuerda Fromme y "demostró que la predicción inicial de todos sobre el RC de las heliobacterias estaba equivocada".
Utilizando la luz de rayos X en la Fuente de luz avanzada en Berkeley, CA, y una línea de haz en la Fuente de fotones avanzada en el Laboratorio Nacional de Argonne, IL., El grupo de Fromme ha visualizado las RC de heliobacterias por primera vez en casi atómico,Resolución de 2.2 angstrom un angstrom es el ancho de un átomo de hidrógeno.
Encontraron una simetría casi perfecta en el Heliobacter RC.
Primero, la composición de aminoácidos de un par de proteínas era idéntica, llamada homodímero.
Esta fue la primera vez que se encontró que un RC contenía solo un par de homodímeros de proteínas para conducir la fotosíntesis.
Finalmente, mapearon alrededor de 60 clorofilas en el complejo de proteínas RC, que finalmente fue un número mucho mayor que su colega John Golbeck de la Universidad de Pennstate, que predijo parte del estudio.
El dímero polipeptídico central y dos pequeñas subunidades coordinan 54 bacterio clorofilas y 2 carotenoides que capturan y transfieren energía al núcleo en el centro de reacción, que realiza la separación de carga, la estabilización y la transferencia de electrones que consta de 6 bacterio clorofilas yun grupo de hierro-azufre; a diferencia de otros centros de reacción, carece de una quinona unida.
Por lo tanto, la estructura apoya la hipótesis de que el transporte de electrones en el HbRC no requiere un cofactor intermedio.
"Se han obtenido estructuras de alta resolución de múltiples RC heterodiméricos más de una proteína bacterias púrpura RC, PSI y PSII, pero hasta ahora no se ha resuelto ninguna estructura RC homodimérica", dijo Fromme.
Los antiguos orígenes de la fotosíntesis
Además, con la explosión de la tecnología de secuenciación de ADN y con la capacidad potencial de comprender todos los genes y proteínas a lo largo de la vida, también rastrearon la evolución de los RC de fotosíntesis.
¿Podría este centro de reacción haber engendrado a todos los demás, llevando a una mayor complejidad a lo largo de los eones?
En términos evolutivos, esto significa que las heliobacterias RC pueden haber venido primero de un solo gen.
"Esta estructura conserva las características del centro de reacción ancestral, proporcionando información sobre la evolución de la fotosíntesis", explica el colega de Fromme Kevin Redding. "De las nuevas estructuras que tenemos, sin duda tendría sentido para un caso convincente".
Entonces, el gen puede haber sido duplicado para aumentar la complejidad evolutiva.
"Una RC homodimérica precedió casi seguramente a las RC heterodiméricas en evolución", dijo Fromme. La duplicación del gen de la subunidad RC central seguida de la divergencia de los dos genes permitiría la conversión de una RC homodimérica en una RC heterodimérica. Esto probablemente ocurrió enal menos tres ocasiones distintas, lo que lleva a la creación de todos los centros de reacciones diferentes y más complejos que se encuentran en otras bacterias y plantas fotosintéticas ".
El sol volverá a salir
El grupo de Fromme está entusiasmado con el potencial de los nuevos resultados. Tal comprensión podría algún día ayudar a los grupos de investigación de todo el mundo a construir un centro de fotosíntesis artificial que podría ayudar a desarrollar paneles solares híbridos orgánicos de próxima generación, posiblemente utilizando la heliobacter para impulsarabsorción de luz y comenzar a aumentar la eficiencia de la energía solar o impulsar la tecnología de biocombustibles renovables basados en energía solar.
Después de todo, el sol volverá a salir mañana, esperando tecnologías cada vez más inteligentes que los científicos puedan soñar para capturar todo el potencial de la energía solar.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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