MADRID, 15 Feb. (EUROPA PRESS) -
Investigadores utilizaron un láser de rayos X en el Departamento de Energía (DOE) de 'SLAC National Accelerator Laboratory', en California (Estados Unidos), para mirar simultáneamente el comportamiento de la estructura y la química de un catalizador natural involucrado en la fotosíntesis, con el fin de conocer mejor la manera en la que las plantas generan el oxígeno que respiramos, según publica este jueves 'Science'.
La obra, hecha posible por los pulsos ultrarápidos de rayos X en la fuente de luz coherente de Linac SLAC (LCLS), es un gran avance en el estudio a escala atómica de las transformaciones en la fotosíntesis y otros procesos biológicos e industriales que dependen de catalizadores para acelerar las reacciones de manera eficaz.
"Toda la vida que depende de oxígeno depende de la fotosíntesis", afirmó Junko Yano, químico del 'Lawrence Berkeley National Laboratory' y colíder en el experimento. "Si se puede aprender a hacerlo como lo hace la naturaleza, se puede aplicar a principios de diseño de sistemas artificiales, como la creación de fuentes de energía renovables. Esto abre el camino para aprender mucho acerca de los cambios que ocurren en el ciclo catalizador".
Los catalizadores son esenciales para muchos procesos industriales, como la producción de combustibles, alimentos, productos farmacéuticos y fertilizantes, y representan 9.000 millones de euros anuales en el mercado de Estados Unidos. Los catalizadores naturales son también esenciales para la química de la vida, por lo que un objetivo importante de la ciencia de los rayos X es aprender cómo funcionan en la fotosíntesis, que produce energía de la luz solar, el oxígeno y el agua.
El experimento LCLS se centró en el fotosistema II, un complejo de proteínas en plantas, algas y algunos microbios que lleva a cabo la etapa de producción de oxígeno de la fotosíntesis. Este proceso de cuatro pasos tiene lugar en un catalizador simple: un grupo de calcio y átomos de manganeso. En cada paso, el fotosistema II absorbe un fotón de luz solar y libera un protón y un electrón, que proporcionan la energía para unir dos moléculas de agua, los rompen y liberan una molécula de oxígeno.
Estudios anteriores fueron capaces de congelar los cristales del catalizador en diversas etapas del proceso y ver cómo estaba. Los científicos querían ver la química que se producía lugar, pero no fue posible en otras instalaciones de rayos X, ya que los cristales frágiles tenían que ser congelados para protegerlos de daños por radiación.
Sin embargo, el LCLS láser de rayos X tiene pulsos breves, medidos en cuadritrillones de un segundo, que podrían sondear los cristales a temperatura ambiente en un estado químicamente activo, antes de que se produjera cualquier daño, y generar datos sobre dos de los cuatro pasos en la generación de oxígeno.
"Hemos decidido utilizar dos técnicas de rayos X a la vez en el LCLS: cristalografía para observar la estructura atómica global del fotosistema II y espectroscopia para documentar la posición y el flujo de electrones en el catalizador", explica Vittal Yachandra, químico en el laboratorio de Berkeley colíder del proyecto. "Los electrones son importantes porque están involucrados en la fabricación y la ruptura de enlaces y otros procesos en el corazón de las reacciones químicas", agrega.
Otro de los autores, el físico Uwe Bergmann en SLAC, dijo: "Este resultado es un paso crítico en el objetivo final de ver el ciclo completo de la descomposición del agua en oxígeno durante la fotosíntesis." El uso de ambas técnicas también verificó que la estructura molecular de las muestras no se daña durante la medición con el LCLS, como resaltó este experto: "Es la primera vez que hemos resuelto la estructura del fotosistema II en las condiciones en las que sabemos con seguridad que la maquinaria que hace la división del agua es completamente intacta".
En experimentos futuros, estos investigadores esperan poder estudiar todos los pasos llevados a cabo por el fotosistema II en una resolución más alta, dejando al descubierto la completa transformación de moléculas de agua en moléculas de oxígeno, algo que se considera una clave para desbloquear el uso potencial del sistema en la fabricación de combustibles alternativos. "Conseguir algunas de las instantáneas críticas de esta transición sería la meta final", concluyó Jan Kern, en Berkeley Lab y SLAC y autor principal del artículo.
