Un grupo de científicos de Estados Unidos ha logrado revelar los mecanismos de la fotosíntesis y la gran eficiencia energética que manifiesta el proceso. Los resultados de la investigación, en el futuro, ofrecerían nuevos caminos para el diseño de sistemas fotosintéticos artificiales.

(30/4/07 – Agencia CyTA – Instituto Leloir. Por Alejandro Manrique) – La fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas son capaces de convertir la energía del Sol en energía química a través de reacciones moleculares, tiene lugar con una eficiencia cercana al 100% y la velocidad a la que el proceso ocurre es clave.

La transferencia de la energía solar a los centros de reacciones moleculares para la posterior conversión energética tiene lugar aproximadamente en forma instantánea, por lo tanto muy poca energía se pierde en calor.

¿Cómo logra la fotosíntesis esta transferencia de energía casi instantáneamente? Es un viejo misterio, que ahora parece haber sido descubierto.

Según un estudio de investigadores del Laboratorio Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Universidad de California en Berkeley, publicado en la revista Nature de abril, la respuesta residiría en los efectos mecánico-cuánticos de la interacción de la luz.

El principal investigador del estudio, Graham Fleming, Director del Laboratorio Berkeley y Profesor de Química en la Universidad de California, dijo: “Hemos obtenido la primera evidencia directa de que el largo tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica en forma de onda tiene un papel preponderante en los procesos de transferencia de energía durante la fotosíntesis”, agregando que “esta característica ondulatoria puede explicar la extrema eficiencia de la transferencia de energía porque permite que el sistema compruebe todos los caminos de energía posibles y que elija el más eficiente”.

El equipo liderado por Fleming, experto mundial en los estudios de espectroscopia de los procesos de la fotosíntesis, anunció la detección de señales con un “golpe cuántico”, oscilaciones electrónicas coherentes existentes tanto en las moléculas donantes como receptoras, generadas por excitaciones de energía inducidas por la luz, de la misma forma que las ondas que se forman cuando se arrojan piedras en el agua.

Los otros autores del trabajo son: Gregory Engel, Tessa Calhoun, Elizabeth Read, Tae-Kyu Ahn, Tomas Mancal y Yuan-Chung Cheng, todos integrantes de la División de Biociencias Físicas del Laboratorio Berkeley y del Departamento de Química de la Universidad de California, además de Robert Blankenship, de la Universidad Washington en St. Louis.

Las mediciones de espectroscopia electrónica que los investigadores efectuaron en una escala de tiempo de unos femto-segundos (la mil billonésima parte de un segundo) mostraron que dichas oscilaciones interferían en forma constructiva y destructiva, es decir, formaban nuevas ondas en estados superpuestos que podían “analizar” todos los valores de energía posibles en forma simultánea y reversible. Esto permite que ante un valor de energía no conveniente, el proceso vuelva atrás y continúe con la optimización.

Este hallazgo contradice la descripción clásica del proceso de transferencia de energía, en donde los saltos de energía de excitación, desde las moléculas del pigmento que capturan la luz hasta los centros de reacciones moleculares, toman valores descendentes de energía.

El Profesor Fleming explica: “La descripción clásica del salto de energía del proceso de transferencia, es inadecuada e imprecisa. No representa el proceso tal como realmente funciona y pierde un aspecto crucial de la razón de la maravillosa eficiencia”.

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y por el Instituto Miller para la Investigación Básica en Ciencias. El Laboratorio Berkeley es un laboratorio del Departamento de Energía ubicado en Berkeley, California, que conduce diversas investigaciones científicas y es administrado por la Universidad de California.

Copiando a la Naturaleza

La técnica de fotosíntesis que nos ofrece la Naturaleza al transferir energía de un sistema molecular a otro, representa uno de los mejores ejemplos de sus logros. Si pudiésemos conocer bien e imitar este proceso, tal vez se llegaría a crear versiones artificiales de la fotosíntesis que nos permitan utilizar el Sol como una fuente limpia y eficiente de energía.

Con este propósito, Fleming y su equipo de investigadores desarrollaron una técnica denominada espectroscopia electrónica en dos dimensiones, que les permite seguir el flujo de energía de excitación inducida por luz a través de complejos moleculares con una resolución en el tiempo de femto-segundos. La técnica implica el uso de pulsos de luz de femto-segundos en secuencia, provenientes de tres rayos láser, sobre una muestra. Un cuarto rayo actúa como oscilador local para amplificar y detectar las señales espectroscópicas que resultan, a medida que la energía de excitación -que cambia la forma en que las moléculas absorben y emiten luz- de la luz láser se transfiere de una molécula a la siguiente.

Fleming comparó la espectroscopia electrónica en dos dimensiones con la técnica que se usaba en los primitivos receptores de radio “superheterodinos”, donde la señal de radio de alta frecuencia que ingresaba, se convertía -por medio de un oscilador- a una frecuencia menor para poder tener más control de la amplificación y una mejor recepción. En el caso de la espectroscopia electrónica en dos dimensiones, los científicos pueden rastrear la transferencia de energía entre moléculas acopladas a través de sus estados electrónicos y de vibración en cualquier sistema foto-activo, de ensamble macromolecular o de nano-estructura.

Estudio previo

Fleming y su grupo ya habían descripto la espectroscopia electrónica en dos dimensiones en un artículo de Nature en el año 2005, cuando usaron la técnica para observar los acoplamientos electrónicos en la proteína Fenna-Matthews-Olson (FMO), un complejo molecular en las bacterias verdes del azufre que toma la luz para la fotosíntesis.

De acuerdo a Engel, “El trabajo de 2005 fue la primera aplicación biológica de esta técnica, ahora hemos usado la espectroscopia electrónica en dos dimensiones para descubrir un nuevo fenómeno en sistemas fotosintéticos. Si bien la posibilidad que la transferencia de energía de la fotosíntesis podía involucrar oscilaciones cuánticas fue sugerida en primera instancia hace más de 70 años atrás, el movimiento ondulatorio de la energía de excitación no había sido nunca observado hasta el momento”.

Al igual que en el artículo de hace dos años, la proteína FMO fue nuevamente el objetivo, dado que la misma se considera un sistema modelo para estudiar la transferencia de energía en la fotosíntesis: posee solamente siete moléculas de pigmento y su química ha sido bien estudiada. Las muestras para el nuevo estudio se obtuvieron de compuestos FMO que fueron mantenidos a 77º K de temperatura.

Engel dijo que la duración de las señales de golpe cuántico fue inesperada, porque se suponía que las coherencias electrónicas, responsables de tales oscilaciones, eran rápidamente destruidas.

“Por esta razón, la transferencia de coherencia electrónica entre los estados enlazados durante la fase de relajación ha sido usualmente ignorada”, agregó Engel. “Al demostrar que los procesos de transferencia de energía involucran la coherencia electrónica y que la misma es mucho más fuerte de lo que habíamos esperado, hemos mostrado que el proceso puede ser mucho más eficiente que la explicación desde el punto de vista clásico. Sin embargo, aún desconocemos en qué grado se beneficia la fotosíntesis de estos efectos cuánticos”.

Engel indicó que uno de los próximos pasos del equipo de Fleming en este tipo de investigación, será observar los efectos de los cambios de temperatura en los procesos de transferencia de energía de la fotosíntesis. También se intentará analizar a mayores valores de energía usando diferentes colores de pulsos de luz, de modo de examinar todo lo que suceda y no solamente la transferencia de energía de un sistema molecular a otro.

En definitiva, se trata de obtener una mejor comprensión de cómo la Naturaleza puede convertir la energía en formas útiles. “La Naturaleza se tomó unos 2.700 millones de años para perfeccionar la fotosíntesis, por lo que existen grandes lecciones que nos quedan por aprender”, concluyó Engel.

Más información: Lawrence Berkeley National Laboratory – http://www.lbl.gov