Buscan mejor energía renovable en la 'caja negra' de la fotosíntesis

Investigadores liderados por la Universidad de Cambridge han 'pirateado' las primeras etapas de la fotosíntesis, la máquina natural que impulsa la gran mayoría de la vida en la Tierra.

Han descubierto nuevas formas de extraer energía del proceso, un hallazgo que podría conducir a nuevas formas de generar combustible limpio y energía renovable, según el trabajo publicado en Nature.

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas, las algas y algunas bacterias convierten la luz solar en energía, en células vivas en una escala de tiempo ultrarrápida: una millonésima de millonésima de segundo.

A pesar de que es uno de los procesos más conocidos y estudiados de la Tierra, los investigadores descubrieron que la fotosíntesis aún tiene secretos que contar. Usando técnicas espectroscópicas ultrarrápidas para estudiar el movimiento de la energía, los investigadores encontraron que los químicos que pueden extraer electrones de las estructuras moleculares responsables de la fotosíntesis lo hacen en las etapas iniciales, en lugar de mucho más tarde, como se pensaba anteriormente.

Esta "reconexión" de la fotosíntesis podría mejorar la forma en que trata el exceso de energía y crear formas nuevas y más eficientes de usar su poder. Los resultados se informan en la revista Nature.

"No sabíamos tanto sobre la fotosíntesis como pensábamos, y la nueva vía de transferencia de electrones que encontramos aquí es completamente sorprendente", dijo en un comunicado la doctora Jenny Zhang del Departamento de Química de Cambridge, quien coordinó la investigación.

Si bien la fotosíntesis es un proceso natural, los científicos también han estado estudiando cómo podría usarse para ayudar a abordar la crisis climática, imitando los procesos fotosintéticos para generar combustibles limpios a partir de la luz solar y el agua, por ejemplo.

Zhang y sus colegas originalmente estaban tratando de entender por qué una molécula en forma de anillo llamada quinona es capaz de "robar" electrones de la fotosíntesis. Las quinonas son comunes en la naturaleza 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.

"Nadie había estudiado adecuadamente cómo interactúa esta molécula con la maquinaria fotosintética en un punto tan temprano de la fotosíntesis: pensamos que solo estábamos usando una nueva técnica para confirmar lo que ya sabíamos", dijo Zhang. "En cambio, encontramos un camino completamente nuevo y abrimos un poco más la caja negra de la fotosíntesis".

Usando espectroscopía ultrarrápida para observar los electrones, los investigadores encontraron que el andamio de proteínas donde tienen lugar las reacciones químicas iniciales de la fotosíntesis tiene fugas, lo que permite que los electrones escapen. Esta fuga podría ayudar a las plantas a protegerse del daño causado por la luz brillante o que cambia rápidamente.

"La física de la fotosíntesis es realmente impresionante", dijo el coprimer autor, el doctor Tomi Baikie, del Laboratorio Cavendish de Cambridge. "Normalmente, trabajamos en materiales altamente ordenados, pero observar el transporte de carga a través de las células abre oportunidades notables para nuevos descubrimientos sobre cómo opera la naturaleza".

"Dado que los electrones de la fotosíntesis se dispersan por todo el sistema, eso significa que podemos acceder a ellos", dijo la coautora, la Dra. Laura Wey, quien hizo el trabajo en el Departamento de Bioquímica y ahora trabaja en la Universidad de Turku. "El hecho de que no supiéramos que existía este camino es emocionante porque podríamos aprovecharlo para extraer más energía para las energías renovables".

Los investigadores dicen que poder extraer cargas en un punto anterior del proceso de fotosíntesis podría hacer que el proceso sea más eficiente al manipular las vías fotosintéticas para generar combustibles limpios del sol. Además, la capacidad de regular la fotosíntesis podría significar que los cultivos podrían tolerar mejor la luz solar intensa.

"Muchos científicos han tratado de extraer electrones de un punto anterior de la fotosíntesis, pero dijeron que no era posible porque la energía está enterrada en el andamio de proteínas", dijo Zhang. "El hecho de que podamos robarlos en un proceso anterior es alucinante. Al principio, pensamos que habíamos cometido un error: nos tomó un tiempo convencernos de que lo habíamos hecho".

La clave del descubrimiento fue el uso de la espectroscopia ultrarrápida, que permitió a los investigadores seguir el flujo de energía en las células fotosintéticas vivas en una escala de femtosegundos, una milésima de billonésima de segundo.

"El uso de estos métodos ultrarrápidos nos ha permitido comprender más sobre los primeros eventos de la fotosíntesis, de los que depende la vida en la Tierra", dijo el coautor, el profesor Christopher Howe, del Departamento de Bioquímica.