Primera observación de la división del agua en la fotosíntesis

Un equipo internacional de científicos ha capturado por primera vez un paso central de la fotosíntesis en acción: la división del agua.

Estos expertos, dirigidos por la doctora Petra Fromme, de la Universidad de Arizona, en Estados Unidos, utilizaron la linterna de rayos X más potente del mundo en el 'National Accelerator Laboratory SLAC', en Menlo Park, Estados Unidos, para grabar imágenes fijas de un complejo molecular llamado fotosistema II, que divide el agua en hidrógeno y oxígeno, un proceso que mantiene el oxígeno en la atmósfera de la tierra.

 

"Ésta es la primera escena de una película molecular que muestra la disociación del agua impulsada por la luz en el fotosistema II, el mecanismo que genera todo el oxígeno en la atmósfera", enfatiza Fromme. Sus observaciones, publicadas en la revista 'Nature', muestran con resolución molecular que el fotosistema II cambia significativamente de forma durante este proceso.

 

"Una comprensión más profunda de la fotosíntesis podría, por ejemplo, ayudar a desarrollar mejores células solares y podría avanzar en la búsqueda del santo grial de la bioquímica, la fotosíntesis artificial", dice el coautor y científico del centro de investigación en física de partículas Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY, por sus siglas en alemán), Henry Chapman, del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL, por sus siglas en inglés), una colaboración de DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck de Alemania.

 

"El proceso de división del agua se sabe que se produce en cuatro pasos", explica Chapman, quien también es profesor en la Universidad de Hamburgo y miembro del Centro de Hamburgo para Imágenes Ultrarápidas CUI. "Pero nadie ha visto realmente estos cuatro pasos", subraya este investigador.

 

Para observar el fotosistema II en acción, el equipo hizo crecer diminutos nanocristales del complejo fotosistema II de bacterias que utilizan la fotosíntesis, las cianobacterias llamadas 'Thermosynechococcus elongatus'. Estos cristales se iluminaron con un láser visible para iniciar el proceso de disociación del agua, que normalmente acciona la luz solar.

 

Los investigadores utilizaron destellos dobles parpadeantes para desencadenar la transición de la etapa S1 a S3. Con cortos e intensos destellos del láser de rayos X LCLS ('Linac Coherent Light Source') del SLAC, los científicos pudieron monitorear cómo la estructura molecular del complejo del fotosistema II cambió durante el proceso.

 

El LCLS proporciona un tiempo de exposición de sólo 30 femtosegundos (un femtosegundo es una milbillonésima parte de un segundo), lo suficientemente corto para capturar las diferentes etapas del proceso de división del agua. "Nos sorprendieron los grandes cambios conformacionales que vimos --subraya Fromme--. En realidad, las modificaciones son tan grandes que no es un cambio de la estructura general, sino que incluso cambian las dimensiones de la unidad celular, el bloque de construcción más pequeño en un cristal".

 

La división de agua durante la fotosíntesis es un proceso catalítico, lo que significa que el fotosistema II permite la reacción sin consumirse, jugando la catálisis un papel importante en muchos campos de la química. "La técnica que empleamos tiene un enorme potencial no sólo para la fotosíntesis, sino para la catálisis en general", destaca Fromme.

 

"Nuestro estudio también demuestra que son posibles películas moleculares de los procesos bioquímicos con una radiografía de Láser de Electrones Libres", dice Chapman. Para este fin, se activa una reacción muchas veces y luego se controla con destellos de rayos X, lo que conduce a una serie de tramas fijas que se pueden combinar en una película molecular. "Esta película puede revelar la dinámica ultrarrápida de reacciones químicas", afirma Chapman, quien señala la necesidad de llegar primero a una resolución más alta.

 

Los láseres de electrones libres son fuentes de luz que utilizan los grandes aceleradores de partículas. En vuelo libre, los electrones de alta energía desde el acelerador se ven forzados por una pista de 'slalom' ajustada por fuertes imanes y, en cada curva, las partículas emiten luz que se suma a un intenso destello de tipo láser.