En un desarrollo innovador, los investigadores «piratearon» con éxito las primeras etapas de la fotosíntesis, el proceso natural que impulsa la mayor parte de la vida en la Tierra. Al descubrir nuevas técnicas para extraer energía de este proceso, los descubrimientos podrían allanar el camino para la generación de combustibles limpios y soluciones de energía renovable en el futuro. Crédito: Robin Horton

Los investigadores ‘piratearon’ 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 estudiado, investigadores de la Universidad de Cambridge descubrieron que aún guarda secretos ocultos. Mediante el empleo de técnicas espectroscópicas ultrarrápidas, 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 métodos nuevos y más eficientes para aprovechar su potencial. Crédito: Mairi Eyres

«No sabíamos tanto sobre la fotosíntesis como pensábamos, y la nueva vía de transferencia de electrones que encontramos aquí es completamente sorprendente», dijo el Dr. Jenny Zhang, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien coordinó la investigación.

Si bien la fotosíntesis es un proceso natural, los científicos también están estudiando cómo se puede utilizar 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 donar 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 la fotosíntesis en células vivas en una escala de tiempo ultrarrápida de una millonésima de millonésima de segundo. A pesar de haber sido ampliamente investigada, la fotosíntesis aún guarda secretos por descubrir. Mediante el empleo de técnicas espectroscópicas ultrarrápidas, 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 creía anteriormente. Este «recableado» podría mejorar el manejo del exceso de energía del proceso y generar métodos nuevos y eficientes para aprovechar su energía. Crédito: Tomi Baikie

«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 escapen los electrones. Esta fuga puede 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 coautor principal Tomi Baikie, del Laboratorio Cavendish de Cambridge. «Por lo general, trabajamos en materiales altamente ordenados, pero observar el transporte de carga a través de las células abre oportunidades notables para nuevos descubrimientos sobre cómo funciona la naturaleza. . ”

«Debido a que los electrones fotosintéticos están dispersos por todo el sistema, esto significa que podemos acceder a ellos», dijo el coautor Dr. Laura Wey, quien hizo el trabajo en el Departamento de Bioquímica y ahora trabaja en la Universidad de Turku. Finlandia. «El hecho de que no supiéramos que existía este camino es emocionante porque podríamos aprovecharlo para extraer más energía de fuentes 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 pueden tolerar mejor la luz solar brillante.

«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 andamiaje de proteínas», dijo Zhang. “El hecho de que podamos robarlos en un proceso anterior es alucinante. Al principio pensamos que nos habíamos equivocado: 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 eventos más tempranos en la fotosíntesis, de los cuales depende la vida en la Tierra», dijo el coautor, el profesor Christopher Howe, del Departamento de Bioquímica.

Referencia: «Fotosíntesis reprogramada en la escala de tiempo de picosegundos» por Tomi K. Baikie, Laura T. Wey, Joshua M. Lawrence, Hitesh Medipally, Erwin Reisner, Marc M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe , Christoph Schnedermann, Akshay Rao y Jenny Z. Zhang, 22 de marzo de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias de la Vida (BBSRC), parte de Research and Innovation UK (UKRI), así como el Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad en la Universidad de Cambridge, Cambridge Commonwealth, European & International Trust y el programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea. Jenny Zhang es becaria David Phillips en el Departamento de Química de Yusuf Hamied y becaria del Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie es miembro de NanoFutures en el Laboratorio Cavendish. Laura Wey es becaria posdoctoral de la Fundación Novo Nordisk en la Universidad de Turku.