A pesar de su papel en la configuración de la vida tal como la conocemos, muchos aspectos de la fotosíntesis siguen siendo un misterio. Una colaboración internacional entre científicos del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y varias otras instituciones está trabajando para cambiar eso. Los investigadores utilizaron SLACLinac Coherent Light Source LCLS láser de rayos X para capturar la imagen más completa y de mayor resolución hasta la fecha de Photosystem II, un complejo proteico clave en plantas, algas y cianobacterias responsables de dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos. Los resultados fueronpublicado en Naturaleza hoy
Explosión de vida
Cuando la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años, el paisaje del planeta no se parecía en nada a lo que es hoy. Junko Yano, uno de los autores del estudio y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, lo describe como "infernal".Los meteoritos chisporrotearon a través de una atmósfera rica en dióxido de carbono y los volcanes inundaron la superficie con mares magmáticos.
Durante los siguientes 2.500 millones de años, el vapor de agua que se acumulaba en el aire comenzó a llover y a formar océanos donde apareció la primera vida en forma de organismos unicelulares. Pero no fue sino hasta que una de esas motas de vida mutabay desarrolló la capacidad de aprovechar la luz del sol y convertirla en energía, liberando moléculas de oxígeno del agua en el proceso, que la Tierra comenzó a evolucionar hacia el planeta que es hoy. Este proceso, la fotosíntesis oxigenada, se considera una de las joyas de la corona de la naturaleza.y ha permanecido relativamente sin cambios en los más de 2 mil millones de años desde que surgió.
"Esta reacción nos hizo como somos, como el mundo. Molécula por molécula, el planeta se enriqueció lentamente hasta que, hace unos 540 millones de años, explotó con vida", dijo el coautor Uwe Bergmann, un distinguido científico del personalen SLAC. "Cuando se trata de preguntas sobre de dónde venimos, este es uno de los más grandes".
Un futuro más verde
Photosystem II es el caballo de batalla responsable del uso de la luz solar para descomponer el agua en sus componentes atómicos, desbloqueando hidrógeno y oxígeno. Hasta hace poco, solo había sido posible medir partes de este proceso a temperaturas extremadamente bajas. En un documento anterior, elLos investigadores utilizaron un nuevo método para observar dos pasos de este ciclo de división del agua a la temperatura a la que ocurre en la naturaleza.
Ahora el equipo ha captado imágenes de los cuatro estados intermedios del proceso a temperatura natural y con el nivel de detalle más fino hasta la fecha. También capturaron, por primera vez, momentos de transición entre dos de los estados, dándoles una secuencia de seis imágenes deel proceso.
El objetivo del proyecto, dijo el coautor Jan Kern, científico en Berkeley Lab, es armar una película atómica usando muchos cuadros de todo el proceso, incluido el elusivo estado transitorio al final que une los átomos de oxígeno de dosmoléculas de agua para producir moléculas de oxígeno.
"Estudiar este sistema nos da la oportunidad de ver cómo los metales y las proteínas trabajan juntos y cómo la luz controla este tipo de reacciones", dijo Vittal Yachandra, uno de los autores del estudio y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, quienha estado trabajando en Photosystem II por más de 35 años ". Además de abrir una ventana al pasado, una mejor comprensión de Photosystem II podría abrir la puerta a un futuro más verde, proporcionándonos inspiración para sistemas fotosintéticos artificiales que producen productos limpios y renovables.energía de la luz solar y el agua "
línea de montaje de muestra
Para sus experimentos, los investigadores cultivan lo que Kern describió como un "granizado verde espeso" de cianobacterias, los mismos organismos antiguos que desarrollaron por primera vez la capacidad de fotosintetizar, en una gran tina que está constantemente iluminada. Luego cosechan elcélulas para sus muestras.
En LCLS, las muestras se eliminan con pulsos ultrarrápidos de rayos X para recopilar datos de cristalografía de rayos X y espectroscopía para mapear cómo fluyen los electrones en el complejo de evolución del oxígeno del fotosistema II. En cristalografía, los investigadores usan la forma de un cristalla muestra dispersa los rayos X para mapear su estructura; en la espectroscopía, excitan los átomos en un material para descubrir información sobre su química. Este enfoque, combinado con un nuevo sistema de transporte de muestras en línea de ensamblaje, permitió a los investigadores reducir los mecanismos propuestospresentado por la comunidad investigadora a lo largo de los años.
mapeo del proceso
Anteriormente, los investigadores pudieron determinar la estructura de la temperatura ambiente de dos de los estados a una resolución de 2.25 angstroms; un angstrom tiene aproximadamente el diámetro de un átomo de hidrógeno. Esto les permitió ver la posición de los átomos de metales pesados,pero dejaron algunas preguntas sobre las posiciones exactas de los átomos más ligeros, como el oxígeno. En este documento, pudieron mejorar la resolución aún más, a 2 angstroms, lo que les permitió comenzar a ver la posición de los átomos más ligeros tambiéncomo dibujar un mapa más detallado de la estructura química del centro catalítico metálico en el complejo donde se divide el agua.
Este centro, llamado complejo de evolución de oxígeno, es un grupo de cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio unidos con átomos de oxígeno. Ciclo a través de los cuatro estados de oxidación estables, S0-S3, cuando se expone a la luz solar. En un campo de béisbol, S0 sería el comienzo del juego cuando un jugador en la base esté listo para batear. S1-S3 serían jugadores en primer, segundo y tercero. Cada vez que un bateador se conecta con una pelota, o el complejo absorbe unfotón de la luz solar, el jugador en el campo avanza una base. Cuando se golpea la cuarta bola, el jugador se desliza hacia su casa, anotando una carrera o, en el caso del Photosystem II, liberando oxígeno respirable.
Los investigadores pudieron tomar fotos de acción de cómo la estructura del complejo se transformó en cada base, lo que no hubiera sido posible sin su técnica. Un segundo conjunto de datos les permitió mapear la posición exacta del sistema en cada imagen, confirmando que de hecho habían imaginado los estados a los que apuntaban.
Deslizándose en casa
Pero hay muchas otras cosas que suceden a lo largo de este proceso, así como momentos entre estados cuando el jugador está haciendo un descanso para la siguiente base, que son un poco más difíciles de atrapar. Uno de los aspectos más importantes de este documento,Yano dijo que es capaz de obtener imágenes de dos momentos entre S2 y S3. En los próximos experimentos, los investigadores esperan utilizar la misma técnica para obtener imágenes de más de estos estados intermedios, incluido el loco camino a casa: el transitorioestado, o S4, donde dos átomos de oxígeno se unen, proporcionando información sobre la química de la reacción que es vital para imitar este proceso en sistemas artificiales.
"El ciclo completo tarda casi dos milisegundos en completarse", dijo Kern. "Nuestro sueño es capturar 50 pasos de microsegundos durante todo el ciclo, cada uno de ellos con la resolución más alta posible, para crear esta película atómica de todo el proceso."
Aunque todavía tienen un camino por recorrer, los investigadores dijeron que estos resultados proporcionan un camino a seguir, tanto para desvelar los misterios de cómo funciona la fotosíntesis como para ofrecer un plan para las fuentes artificiales de energía renovable.
"Ha sido un proceso de aprendizaje", dijo el científico y coautor del SLAC, Roberto Alonso-Mori. "En los últimos siete años hemos trabajado con nuestros colaboradores para reinventar aspectos clave de nuestras técnicas. Hemos ido disminuyendo lentamenteante esta pregunta y estos resultados son un gran paso adelante "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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