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Científicos captan imágenes de la fotosíntesis en acción mediante rayos X

Un equipo internacional de científicos ha tomado imágenes sin precedentes a escala atómica de un complejo proteico encontrado en plantas, algas y cianobacterias capturadas por rayos ultra-rápidos de rayos X. Los experimentos, dirigidos por el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), del Departamento de Energía de Estados Unidos, están ayudando a los investigadores a reducir el proceso mediante el cual la proteína, llamada fotosistema II, usa energía luminosa para dividir el agua y crear oxígeno.
Casi todo el oxígeno en la atmósfera se produce mediante este sistema, además de que esta reacción produce protones y electrones que se utilizan para reducir el dióxido de carbono a carbohidratos más tarde en el ciclo de fotosíntesis. Las imágenes, publicadas en la edición de este lunes de la revista 'Nature', proporcionan la primera visión tridimensional de alta resolución del fotosistema II en acción, una hazaña lograda mediante el uso de inimaginablemente rápidos pulsos de rayos X de láser de electrones libres (XFEL) de 'Linac Coherent Light Source' (LCLS) del 'SLAC National Accelerator Laboratory'.
El fotosistema II se encuentra en el tilacoide, un compartimento en cloroplastos y cianobacterias rodeado por una membrana. El tilacoide es donde se producen las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis, sin embargo, la naturaleza exacta de esas reacciones, paradójicamente, ha estado oculta al entendimiento de los científicos.
"Se han producido crio-imágenes cuando la proteína estaba en un estado de oscuridad o de reposo --señala la investigadora principal del estudio, Junko Yano, científica de la División Molecular de Biofísica y Bioimagen Integrada en Berkeley Lab--. Pero las etapas del fotosistema II no se realizan a temperaturas de congelación. Lo que hemos podido hacer por primera vez usando láseres de rayos X es estudiar este proceso a temperatura ambiente para poder decir qué está sucediendo realmente en la naturaleza".
LOS RESULTADOS PUEDEN ECHAR POR TIERRA DOS TEORÍAS EXISTENTES
Yano trabajó con el investigador principal, Vittal Yachandra, y con los principales autores, Nicholas Sauter y Jan Kern, todos miembros de la División de Biofísica Molecular y Bioimágenes Integradas de Berkeley Lab. "Hemos estado intentando durante décadas comprender cómo las plantas dividen el agua en oxígeno, protones y electrones --subraya Yachandra--. Entender cómo la naturaleza logra esta difícil reacción con tanta facilidad es importante para desarrollar un método rentable para la división del agua en función de la energía solar, que es esencial para la fotosíntesis artificial y la energía renovable".
Los científicos estaban especialmente interesados ??en el pequeño catalizador metálico de la proteína, un complejo que envuelve el oxígeno en el que átomos de oxígeno puentean cuatro átomos de manganeso con un átomo de calcio. La forma en que este catalizador almacena la energía de los fotones y oxida dos moléculas de agua ha sido una cuestión clave en la fotosíntesis.
"Para nuestra sorpresa, encontramos que las dos principales teorías que explican los mecanismos de cómo sucede la reacción probablemente no son correctas --apunta Yachandra--. Si las teorías fueran correctas, habríamos visto que el agua se unía a sitios específicos y otras características predichas en la proteína, lo que significa que algo más está pasando, así que ahora estamos respondiendo a la respuesta correcta por el proceso de eliminación".
"La belleza de LCLS es que los pulsos de láser son tan cortos -de sólo 40 femtosegundos de duración, pero muy intensos-- que se pueden recoger los datos antes de que la muestra se destruya --resalta Kern--. Es muy nuevo, y sólo hay dos lugares en el mundo donde lo puedan hacer en la actualidad". Un femtosegundo es un quatrilionésimo de segundo. Para hacerse una idea de la escala, se puede comparar con lo que sería un segundo en un lapso de unos 30 millones de años.