Imagen a escala atómica de la fotosíntesis en alta resolución

Fotosíntesis
GREGORY STEWART/SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATO
Publicado 07/11/2018 19:12:12CET

   MADRID, 7 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Una potente fuente de láser de rayos X ha obtenido la mejor imagen de un complejo de proteínas clave en plantas, algas y cianobacterias responsables de dividir el agua y producir el oxígeno que respiramos.

   Se trata del fotosistema II, que ha sido captado en detalle y alta resolución con el LCLS (X Ray Láser Coherent Light Source), como se publica en 'Nature'.

   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. Uno de los miembros del equipo, Junko Yano, científica principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, lo describe como "infernal". Los meteoros chisporroteaban en una atmósfera rica en dióxido de carbono y los volcanes inundaban 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 caer en forma de lluvia y a formar océanos, donde apareció la primera vida en forma de organismos unicelulares. Pero no fue hasta que una de esas motas de vida mutó y 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 oxigénica, se considera una de las joyas de la corona de la naturaleza y se ha mantenido relativamente sin cambios durante los más de 2.000 millones de años desde que surgió. "Esta única reacción nos hizo como somos, como mundo. Molécula por molécula, el planeta se enriqueció lentamente hasta que, hace unos 540 millones de años, explotó con vida --afirma el coautor Uwe Bergmann, distinguido científico del acelerador SLAC--. Cuando se trata de preguntas sobre de dónde venimos, este es una de las más grandes".

UN FUTURO MÁS VERDE

   Fotosistema II es el caballo de batalla responsable de usar la luz solar para descomponer el agua en sus componentes atómicos, desbloqueando hidrógeno y oxígeno. Hasta hace poco, solo había sido posible medir piezas de este proceso a temperaturas extremadamente bajas. En un artículo anterior, los científicos 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 fotografiado los cuatro estados intermedios del proceso a temperatura natural y el mejor nivel de detalle hasta el momento, según los propios investigadores. También capturaron, por primera vez, los momentos de transición entre dos de los estados, dándoles una secuencia de seis imágenes del proceso.

   El objetivo del proyecto, según el coautor Jan Kern, científico del Laboratorio Berkeley, es reconstruir una película atómica utilizando muchos fotogramas de todo el proceso, incluido el difícil estado de transición al final que une los átomos de oxígeno de dos moléculas de agua para producir moléculas de oxígeno.

   "El estudio de 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", afirma Vittal Yachandra, uno de los autores del estudio y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que ha estado trabajando en 'Photosystem II' desde hace más de 35 años.

   "Además de abrir una ventana al pasado, una mejor comprensión del fotosistema II podría abrir la puerta a un futuro más verde, brindándonos inspiración para los sistemas fotosintéticos artificiales que producen energía limpia y renovable de la luz solar y el agua", señala.

CADENA DE MONTAJE DE MUESTRA

   Para sus experimentos, los investigadores cultivaron lo que Kern describió como un "granizado verde espeso" de cianobacterias, los mismos organismos antiguos que primero desarrollaron la capacidad de fotosíntesis, en una gran tinaja que estaba constantemente iluminada. Luego, recogieron las células para sus muestras.

   En LCLS, se mezclaron las muestras con pulsos ultrarrápidos de rayos X para recopilar tanto la cristalografía de rayos X como los datos de espectroscopia para trazar un mapa de cómo fluyen los electrones en el complejo de 'Fotosistema II' que desarrolla el oxígeno. En la cristalografía, los investigadores utilizaron la forma en que una muestra de cristal dispersa los rayos X para mapear su estructura; en espectroscopia, excitaron los átomos en un material para descubrir información sobre su química.

   Este enfoque, combinado con un nuevo sistema de transporte de muestras en una cadena de ensamblaje, permitió a los investigadores reducir los mecanismos propuestos por la comunidad de investigación a lo largo de los años. Anteriormente, los investigadores pudieron determinar la estructura de la temperatura ambiente de dos de los estados con una resolución de 2,25 angstroms; un angstrom es alrededor del diámetro de un átomo de hidrógeno.

   Esto les permitió ver la posición de los átomos de metales pesados, pero dejó 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 con mayor claridad, así como a 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 que desarrolla el oxígeno, es un grupo de cuatro átomos de manganeso y un átomo de calcio unidos por átomos de oxígeno. Recorre los cuatro estados de oxidación estable, S0-S3, cuando se expone a la luz solar. Los investigadores pudieron tomar fotos de cómo la estructura del complejo se transformó en cada paso, lo que no habría sido posible sin su técnica. Un segundo conjunto de datos les permitió mapear la posición exacta del sistema en cada imagen, lo que confirma que, de hecho, habían captado los estados a los que apuntaban.

   "El ciclo completo tarda casi dos milisegundos en completarse --dice Kern--. "Nuestro sueño es capturar 50 pasos de microsegundos a lo largo del ciclo completo, cada uno de ellos con la mayor resolución posible, para crear esta película atómica de todo el proceso".

   Aunque todavía tienen mucho camino por recorrer, los investigadores dicen 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 --afirma el científico y coautor de SLAC Roberto Alonso-Mori--. Durante los últimos siete años, hemos trabajado con nuestros colaboradores para reinventar aspectos clave de nuestras técnicas. Hemos ido reduciendo lentamente esta pregunta y estos resultados son un gran paso adelante".

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