Cientistas do Instituto Indiano de Ciência (IISC) e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) finalmente resolveram um enigma crónico sobre os primeiros momentos da fotossíntese – que é um processo vital através do qual plantas, algas e bactérias específicas e certas bactérias são o composto rico em oxigénio e energia.
A sua investigação revela porque é que os primeiros movimentos de electrões importantes para a transferência de energia ocorrem apenas num lado de uma estrutura original de proteína-pigmento. A pesquisa foi publicada Atividades da Academia Nacional de CiênciasO
Saloxyonia é uma sequência de reações onde os elétrons passam entre múltiplas moléculas de pigmento. Embora tenha sido testado há décadas, o processo é completamente difícil de explicar porque envolve numerosos elementos complexos, funciona em prazos extremamente rápidos e altera algumas das diferentes espécies. Adquirir uma ideia mais profunda dessas etapas pode ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais qualificados, como folhas sintéticas e tecnologias de combustível baseadas em energia solar, que reproduzem designs da natureza.
Na maioria das formas de vida que utilizam a fotossíntese, o processo começa com o Complexo Proteína-Pigmento conhecido como fotosistema II (PSII). Este complexo capta a luz do sol e divide as moléculas de água, libera oxigênio e transmite elétrons para outras moléculas na cadeia de transferência de energia.
O PSII possui quase dois ramos uniformes, conhecidos como D1 e D2, rodeados por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitinas. Eles são decorados com simetria e conectados ao transportador de elétrons, conhecido como plastocuinonas. De acordo com a teoria, os elétrons deveriam passar da clorofila para a faofitina e depois ambos ao longo dos ramos para o plasticcoinon.
No entanto, os testes mostraram consistentemente que os elétrons simplesmente passam pelo ramo D1 – uma busca que surpreendeu os cientistas ao longo dos anos. “Apesar da simetria estrutural entre os ramos da proteína D1 e D2 no PSII, apenas o ramo D1 está efetivamente ativo”, explicou o primeiro autor da pesquisa do IISC e estudante de doutorado Aditya Kumar Mondal.
Para investigar este desequilíbrio, a equipa combina simulações de dinâmica molecular, análise de mecânica quântica e teoria de Marcus (um modelo vencedor do Prémio Nobel que é transferido) para traçar os padrões de potência de ambos os caminhos. “Avaliamos a eficiência das habilidades de transferência de elétrons através dos ramos D1 e D2”, disse um estudante de doutorado do Departamento de Física e escritor.
O partido descobriu que existem muitas barreiras energéticas no ramal D2, o que torna o transporte eletrônico fortemente hostil. Especificamente, a transferência de D1 de Fiophitina para Fiophitina requer dupla energia de ativação de D1 – uma barreira que parece incapaz de superar os elétrons, impedindo o fluxo de energia.
Os pesquisadores também imitaram as características de corrente-tensão de ambos os ramos e descobriram que o D2 tinha uma altura duas dimensões acima da resistência contra o movimento dos elétrons.
A assimetria no fluxo de elétrons também se deve às diferenças sutis do ambiente proteico em torno do PSII e como os pigmentos podem ser incorporados por ele, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o pigmento clorofila em D1 tem um estado de excitação de menor potência do que a parte D2, o que sugere que o pigmento D1 tem uma melhor chance de atrair e transferir elétrons.
Os pesquisadores também sugerem que alguns desses componentes podem aumentar ou reorganizar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, a clorofila e a fofitina podem ser superadas em D2, pois a clorofila requer menos energia ativa que a piofitina.
“Nossa pesquisa apresentou um passo importante na compreensão da iluminação natural”, disse Prabal K Moti, professor de física e um dos autores da pesquisa. “Essas pesquisas podem ajudar a projetar sistemas de iluminação artificial qualificados, capazes de converter energia solar em combustível químico, contribuindo para soluções inovadoras e duráveis de energia renovável”.
É uma bela combinação de teoria em diferentes níveis que encerra um novo nível de compreensão, mas ainda resta desafiar o mistério, disse Bill Gadder, professor do Caltech e autoridades.
