En un desarrollo innovador, los investigadores han logrado “piratear” las primeras etapas de la fotosíntesis, el proceso natural que impulsa la mayoría de la vida en la Tierra. Al revelar nuevas técnicas para extraer energía de estos procesos, los hallazgos podrían allanar el camino para la generación de combustibles limpios y soluciones de energía renovable en el futuro. Crédito: Robin Horton
Los investigadores han “pirateado” las primeras etapas[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.
“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang
An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.
Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.
Aunque la fotosíntesis es un proceso bien conocido y ampliamente estudiado, los investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto que aún guarda secretos ocultos. Usando técnicas espectroscópicas ultrarrápidas, encontraron que la extracción de electrones de las estructuras moleculares responsables de la fotosíntesis ocurre en una etapa mucho más temprana de lo que se pensaba. Este “reinicio” de la fotosíntesis podría conducir a una mejor gestión del exceso de energía y al desarrollo de formas nuevas y más eficientes de aprovechar su potencial. Crédito: Mary Ayers
“No sabíamos tanto sobre la fotosíntesis como pensábamos, y las nuevas vías de transferencia de electrones que descubrimos aquí fueron bastante sorprendentes”, dijo el Dr.
Si bien la fotosíntesis es un proceso natural, los científicos también han estudiado cómo podría usarse para ayudar a enfrentar la crisis climática, por ejemplo, simulando el proceso de fotosíntesis para producir combustibles limpios a partir de la luz solar y el agua.
Zhang y sus colegas inicialmente estaban tratando de entender por qué las moléculas en forma de anillo llamadas quinonas podían “robar” electrones de la fotosíntesis. Las alquenonas son comunes y pueden aceptar y ceder electrones fácilmente. Los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de absorción transitoria ultrarrápida para estudiar cómo se comportan las quinonas en las cianobacterias fotosintéticas.
Un equipo internacional de científicos ha estudiado el proceso de fotosíntesis en células vivas en escalas de tiempo increíblemente rápidas de una millonésima de millonésima de segundo. A pesar de la extensa investigación, la fotosíntesis aún guarda secretos por descubrir. Utilizando técnicas espectroscópicas ultrarrápidas, el equipo descubrió que la sustancia química extrae electrones de las estructuras de las moléculas involucradas en la fotosíntesis en una etapa mucho más temprana de lo que se pensaba. Este “recableado” puede mejorar el proceso de manejo del exceso de energía y proporcionar formas nuevas y eficientes de aprovechar su energía. Crédito: Tommy Peake
“Nadie ha estudiado bien cómo interactúan estas moléculas con el mecanismo fotosintético en las primeras etapas de la fotosíntesis: pensamos que estábamos usando una nueva técnica para confirmar lo que ya sabíamos”, dijo Zhang. “En cambio, hemos encontrado un camino completamente nuevo y hemos abierto un poco la caja negra de la fotosíntesis”.
Usando espectroscopía ultrarrápida para monitorear electrones, los investigadores encontraron que los andamios de proteínas donde ocurren las reacciones químicas iniciales de la fotosíntesis tienen “fugas”, lo que permite que los electrones escapen. Esta filtración puede ayudar a las plantas a protegerse del daño causado por la luz brillante o los cambios rápidos.
“La física de la fotosíntesis es impresionante”, dijo el primer coautor Tomi Baikie, del Laboratorio Cavendish en Cambridge. “Normalmente, trabajamos con materiales de alto nivel, pero observar el transporte de carga a través de las células abre enormes oportunidades para nuevos descubrimientos sobre cómo funciona la naturaleza”.
dijo la primera coautora, la Dra. Laura Way, que trabaja en el Departamento de Bioquímica, ahora con sede en la Universidad de Turku, Finlandia. “El hecho de que no supiéramos que existía este camino es muy emocionante, porque podemos aprovecharlo para extraer más energía de las energías renovables”.
Ser capaz de extraer la carga al principio del proceso fotosintético, dijeron los investigadores, podría hacer que el proceso sea más eficiente al manipular las vías fotosintéticas para producir combustible limpio a partir del sol. Además, la capacidad de regular la fotosíntesis puede significar que las plantas pueden soportar mejor la luz solar intensa.
“Muchos científicos han tratado de extraer electrones del punto de partida de la fotosíntesis, pero dicen que es imposible porque la energía está enterrada en el andamio de proteínas”, dijo Zhang. “El hecho de que pudimos robarlo en una operación anterior es increíble. Inicialmente, pensamos que habíamos cometido un error: nos tomó un tiempo convencernos de que lo habíamos hecho”.
La clave de este descubrimiento fue el uso de la espectroscopia ultrarrápida, que permite a los investigadores seguir el flujo de energía en las células fotosintéticas vivas en la escala de femtosegundos: milésimas de milésima de segundo.
“El uso de este método ultrarrápido nos permitió comprender más sobre los primeros eventos de la fotosíntesis, que es la base de la vida en la Tierra”, dijo el coautor, el profesor Christopher Howe, del Departamento de Bioquímica.
Referencias: “Fotosíntesis reensamblada en la escala de tiempo de picosegundos” por Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao y Jenny Zhang, 22 de marzo de 2023, disponible aquí. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9
Esta investigación fue financiada en parte por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas (BBSRC) y es parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI), así como del Programa Winton para Física Sostenible en la Universidad. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Fondo Europeo e Internacional y Programa de Investigación e Innovación de la UE Horizonte 2020. Jenny Zhang es becaria David Phillips en el Departamento de Química y becaria en Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie es miembro de NanoFutures en el Laboratorio Cavendish. Laura Way es becaria postdoctoral en la Fundación Novo Nordisk, Universidad de Turku.
