Photosystem II es un complejo de proteínas en plantas, algas y cianobacterias que es responsable de dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos. En los últimos años, una colaboración internacional entre científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía, SLAC NationalAccelerator Laboratory y varias otras instituciones han podido observar varios pasos de este ciclo de división del agua a la temperatura a la que ocurre en la naturaleza.
Ahora, el equipo ha utilizado el mismo método para concentrarse en un paso clave en el que una molécula de agua se mueve para unir los átomos de manganeso y calcio en el complejo catalítico que divide el agua para producir oxígeno respirable. Lo que aprendieron les da un pasomás cerca de obtener una imagen completa de este proceso natural, que podría informar a la próxima generación de sistemas fotosintéticos artificiales que producen energía limpia y renovable a partir de la luz solar y el agua. Sus resultados se publicaron en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias hoy
"Demostramos que es posible realizar estas mediciones en iteraciones anteriores de este trabajo, pero nunca tuvimos la resolución espacial o los puntos de tiempo suficientes para profundizar en estos detalles más finos", dice el coautor Uwe Bergmann, un distinguidocientífico del personal de SLAC. "Después de optimizar cuidadosamente este experimento durante muchos años, perfeccionamos nuestra capacidad de realizar mediciones con la calidad suficiente para ver estos pequeños cambios por primera vez".
La brigada del cubo
Durante la fotosíntesis, el complejo de evolución de oxígeno, un grupo de cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio conectados por átomos de oxígeno, recorre cuatro estados de oxidación estables, conocidos como S0 a 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 un fotón de 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.centrado en la transición de S2 a S3, el último estado intermedio estable antes de que se produzca una molécula de oxígeno.
El complejo que evoluciona con oxígeno está rodeado de agua y proteínas. En el paso que observaron los científicos, el agua fluye a través de una vía hacia el complejo, donde una molécula de agua finalmente forma un puente entre un átomo de manganeso y un átomo de calcio. Esta aguaEs probable que la molécula proporcione uno de los átomos de oxígeno en la molécula de oxígeno producida al final del ciclo.
Usando el láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC, los investigadores descubrieron que las moléculas de agua se transportan al complejo como a través de una brigada de cubetas: se mueven en muchos pequeños pasos de un extremo del camino al otro.También mostraron que el átomo de calcio dentro del complejo podría estar involucrado en el transporte del agua.
"Es como la Cuna de Newton", dice Vittal Yachandra, uno de los autores del estudio y científico sénior en Berkeley Lab que ha estado trabajando en Photosystem II durante más de 35 años ". Por lo general, en agua líquida las cosas se mueven constantemente.alrededor, pero ahora estamos en esta situación fascinante donde algunas de las moléculas de agua alrededor del cúmulo de manganeso cambian de posición, mientras que otras están siempre en el mismo lugar. Puede repetir el experimento 10,000 veces y todavía estarán sentados en ese mismo lugar.Mancha."
Trabajando en tándem
En LCLS, el equipo eliminó muestras de cianobacterias 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 Photosystem II. A través de esta técnica, puedenpara mapear simultáneamente su estructura y descubrir información sobre el proceso químico en el grupo de manganeso.
Anteriormente, los investigadores habían utilizado esta técnica para asegurarse de que la muestra estuviera intacta y, lo que es más importante, también en el estado químico intermedio correcto. Este documento marca la primera vez que los investigadores pudieron fusionar los dos conjuntos de información para ver las conexiones entrecambios estructurales y químicos. Esto permitió a los investigadores observar cómo se desarrollan los pasos en tiempo real y aprender cosas nuevas sobre la reacción.
"Es emocionante ver la 'causa y efecto' de los cambios inducidos por la absorción de luz a medida que ocurren", dice Yachandra.
"Es fácil olvidar cuán crítico es el entorno y cómo permite estos procesos realmente complicados", dice Junko Yano, uno de los autores del estudio y científico sénior en Berkeley Lab. "La vida no sucede en el vacío; todos los componentes tienen que trabajar juntos para hacer posible la reacción. Estos resultados nos muestran cómo las moléculas de proteína y agua alrededor del grupo catalítico funcionan en conjunto para producir oxígeno. Nuestros resultados comenzarán una nueva forma de pensar e inspirarán nuevos tipos de preguntas."
¡Listo, listo, acción!
Más allá de la fotosíntesis, dice Yano, esta técnica se puede aplicar a otros sistemas enzimáticos para hacer instantáneas más detalladas de las reacciones catalíticas.
"Nos permite conectar la biología estructural y la química de los sistemas para comprender y controlar reacciones químicas complicadas", dice ella.
El objetivo final del proyecto es armar una película atómica utilizando muchas instantáneas realizadas durante todo el proceso, incluido el elusivo estado transitorio al final que une dos átomos de oxígeno de dos moléculas de agua para formar la molécula de oxígeno.
"Nuestro sueño es dar la vuelta a todo el ciclo de reacción y obtener suficientes puntos de tiempo y detalles para que pueda ver todo el proceso, desde el primer fotón de luz que entra hasta la primera molécula de oxígeno respirable que sale", dice co-autor Jan Kern, científico del personal de Berkeley Lab. "Hemos estado construyendo el set para esta película, estableciendo nuestra técnica y mostrando lo que es posible. Ahora las cámaras finalmente están rodando y podemos comenzar a trabajar en el largometraje".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Ali Sundermier. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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