Los investigadores han descubierto un nuevo papel para las vibraciones de las proteínas en el control de la transformación de la luz solar en energía útil. El estudio arroja luz sobre un mecanismo que podría ayudar a diseñar mejores materiales solares.
La investigación se realizó en el laboratorio del CIFAR Senior Fellow Alan Aspuru-Guzik en la Universidad de Harvard por el CIFAR Postdoctoral Fellow Doran Bennett, Samuel Blau y Christoph Kreisbeck en colaboración con CIFAR Senior Fellow Gregory Scholes en la Universidad de Princeton. Sus hallazgos fueron publicados en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias el 27 de marzo
Las plantas y las algas absorben la luz solar y transfieren la energía usando proteínas que contienen pigmentos de colores. Un pigmento energizado por un fotón puede pasar esa energía de excitación a otro pigmento cercano, como pasar el testigo entre corredores en un relevo. Al repetir este proceso, elLa energía del fotón se lleva al centro de reacción donde se utiliza para producir oxígeno y crecimiento de la planta de energía.
Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo las plantas mueven esta energía de manera tan rápida y eficiente a través de las grandes colecciones de pigmentos que rodean cada centro de reacción.
En este estudio, los investigadores se enfocaron en una proteína fotosintética conocida como PC645. Usando simulaciones por computadora y datos experimentales, encontraron que PC645 controla dónde va la energía ajustando las vibraciones de los pigmentos para mejorar el transporte de energía a lo largo de rutas específicas.
"Puedes imaginar estas proteínas usando las vibraciones de diferentes pigmentos como señales de tráfico que envían excitaciones en una dirección u otra", explica Bennett, quien estuvo en Toronto para la reunión del programa CIFAR Bio-Inspired Solar Energy.
Por ejemplo, cuando se excita un pigmento 'azul', podría pasar la excitación a varios pigmentos vecinos diferentes con energías similares. Al controlar las vibraciones, las proteínas pueden dirigir el pigmento 'azul' para que pase la excitación a un 'pigmento rojo 'omitiendo así los pigmentos con colores intermedios.
"Lo extraño es que cuando ejecutas los experimentos, la excitación no desciende por una escalera de energía. Salta del peldaño más alto al peldaño más bajo y nunca toca nada en el medio. Te hace pensar:- ¿Por qué? Y, lo que es más importante, ¿cómo? ", dice Bennett.
Anteriormente, los investigadores pensaban que esto solo podía explicarse por efectos cuánticos como el entrelazamiento. Se pensaba que la coherencia vibrónica, el entrelazamiento entre el electrón y el movimiento vibratorio, era necesaria para los saltos rápidos entre niveles de energía muy diferentes. Sin embargo, esta nueva investigaciónsugiere que lo que se necesita no es coherencia vibrónica, sino una gran banda de vibraciones que salvan la brecha de energía entre dos pigmentos.
"Desde una perspectiva material, este tipo de mecanismo clásico es más útil porque es resistente a niveles razonables de desorden que pueden lograr las técnicas sintéticas actuales", dice Bennett.
Bennett y sus colegas están realizando más investigaciones en varias direcciones, incluido el estudio de cómo las proteínas fotosintéticas pueden controlar y mejorar el transporte de energía necesario para una fotosíntesis eficiente. También están interesados en utilizar estos principios de diseño natural para ayudar a desarrollar nuevos materiales de energía solar..
"Uno de los desafíos clave es que necesitamos mejores herramientas", explica Bennett, "esta simulación requirió 10 millones de horas de CPU y más de dos años de tiempo humano para estudiar una proteína. En el futuro, esperamos acelerar esto,posiblemente tomando prestadas técnicas del campo del aprendizaje automático ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Canadiense de Investigación Avanzada . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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