Innovador truco de fotosíntesis allana el camino para avances en energías renovables

Los investigadores han «pirateado» las primeras etapas de[{» 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.

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 ampliamente conocido y ampliamente estudiado, los investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto que aún guarda secretos ocultos. Mediante el uso de técnicas de espectroscopia ultrarrápida, descubrieron que la extracción de electrones de las estructuras moleculares responsables de la fotosíntesis se produce en etapas más tempranas de lo que se suponía anteriormente. Esta «reconexión» 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 la nueva vía de transferencia de electrones que encontramos aquí es bastante sorprendente», dijo el Dr.

Si bien la fotosíntesis es un proceso natural, los científicos también han estado estudiando cómo podría usarse para ayudar a enfrentar la crisis climática, mediante la simulación de 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 podría «robar» electrones de la fotosíntesis. Las alquenonas 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.

Un equipo internacional de científicos ha estudiado el proceso de fotosíntesis en células vivas en una escala de tiempo ultrarrápida de una millonésima de millonésima de segundo. A pesar de la extensa investigación, la fotosíntesis aún guarda secretos por descubrir. Usando técnicas de espectroscopia ultrarrápida, el equipo descubrió que los productos químicos extraen electrones de las estructuras moleculares involucradas en la fotosíntesis en etapas mucho más tempranas de lo que se pensaba anteriormente. Este «recableado» puede mejorar el manejo del exceso de energía del proceso y generar formas nuevas y eficientes de aprovechar su poder. Crédito: Tommy Peake

«Nadie había estudiado adecuadamente cómo interactúa esta molécula con los mecanismos de la fotosíntesis en una etapa tan temprana 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 los electrones, los investigadores encontraron que el andamio de proteínas donde ocurren las reacciones químicas iniciales de la fotosíntesis tiene «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 que cambia rápidamente.

«La física de la fotosíntesis es increíblemente impresionante», dijo el coautor principal Tomi Baikie, del Laboratorio Cavendish en Cambridge. «Normalmente, trabajamos con materiales de orden superior, pero observar el transporte de carga a través de las células abre maravillosas oportunidades para nuevos descubrimientos sobre cómo funciona la naturaleza».

dijo la coautora, la Dra. Laura Way, quien hizo el trabajo 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 emocionante, porque podemos aprovecharlo para extraer más energía de las energías renovables».

Ser capaz de extraer carga al principio del proceso de fotosíntesis, dicen los investigadores, podría hacer que el proceso sea más eficiente al manipular las vías fotosintéticas para generar combustible limpio del sol. Además, la capacidad de regular la fotosíntesis puede significar que los cultivos podrían soportar mejor la luz solar intensa.

«Muchos científicos han tratado de extraer electrones de un punto anterior de la fotosíntesis, pero dijeron que no es posible porque la energía está enterrada en el andamio de proteínas», dijo Zhang. «El hecho de que pudiéramos robarlo en una operación anterior es asombroso. 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 una 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.

Referencia: «Fotosíntesis reprogramada en una 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. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

La 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 de 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 del 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.