Cientistas do Instituto Indiano de Ciência (IISc) e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) finalmente resolveram um enigma de longa data sobre os primeiros momentos da fotossíntese, um processo importante no qual plantas, algas e certas bactérias capturam a luz solar para produzir oxigênio e compostos ricos em energia.
O estudo revela por que o primeiro movimento dos elétrons, crucial para a transferência de energia, ocorre apenas em um lado de uma estrutura-chave do pigmento proteico. As descobertas foram publicadas em Anais da Academia Nacional de Ciências.
A fotossíntese é uma série de reações nas quais elétrons são transferidos entre múltiplas moléculas de pigmento. Embora tenha sido estudado há décadas, o processo continua difícil de explicar completamente porque envolve muitos componentes complexos, opera em escalas de tempo extremamente rápidas e difere ligeiramente entre as espécies. Uma compreensão mais profunda destas etapas poderia ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais eficientes, como folhas sintéticas e tecnologia de combustível solar que reproduzam os designs da natureza.
Na maioria das formas de vida que utilizam a fotossíntese, o processo começa com um complexo proteína-pigmento denominado fotossistema II (PSII). Este complexo captura a luz solar e divide as moléculas de água, liberando oxigênio e enviando elétrons para outras moléculas em uma cadeia de transferência de energia.
O PSII consiste em dois ramos quase idênticos, chamados D1 e D2, rodeados por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitina. Eles estão dispostos simetricamente e ligados a transportadores de elétrons chamados plastoquinonas. Em teoria, os elétrons deveriam se mover ao longo de dois ramos da clorofila para a feofitina e depois para a plastoquinona.
No entanto, as experiências mostram consistentemente que os electrões só podem mover-se através do ramo D1 – uma descoberta que tem confundido os cientistas durante anos. “Apesar da simetria estrutural entre os ramos da proteína D1 e D2 no PSII, apenas o ramo D1 é funcionalmente ativo”, explica Aditya Kumar Mandal, primeiro autor do estudo e estudante de doutorado no Departamento de Física do IISc.
Para estudar este desequilíbrio, a equipa utilizou uma combinação de simulações de dinâmica molecular, análise de mecânica quântica e teoria de Marcus, um modelo vencedor do Prémio Nobel que descreve como os eletrões são transferidos, para mapear os padrões de energia nos dois caminhos. “Avaliamos a eficiência da transferência de elétrons passo a passo através dos ramos D1 e D2”, disse Shubham Basera, estudante de doutorado do Departamento de Física e um dos autores.
A equipe descobriu que o ramo D2 possui uma barreira energética mais alta, o que torna o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a energia de ativação necessária para transferir elétrons da feofitina para a plastoquinona em D2 é duas vezes maior que a de D1, o que é uma barreira aparentemente intransponível para os elétrons, impedindo o fluxo direto de energia.
Os pesquisadores também simularam as características de corrente-tensão dos dois ramos e descobriram que a resistência ao movimento dos elétrons em D2 era duas ordens de grandeza maior do que em D1.
Os investigadores acreditam que a assimetria no fluxo de electrões também pode ser afectada por diferenças subtis no ambiente proteico que rodeia o PSII e na forma como o pigmento está incorporado nele. Por exemplo, a energia do estado excitado do pigmento clorofila em D1 é menor do que a do seu homólogo D2, indicando que o pigmento D1 tem uma melhor oportunidade para atrair e transferir electrões.
Os pesquisadores também sugerem que o ajuste de alguns desses componentes poderia melhorar ou religar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, a troca de clorofila e feofitina em D2 pode superar o bloqueio de elétrons porque a clorofila requer uma energia de ativação mais baixa do que a feofitina.
“Nosso estudo é um passo importante na compreensão da fotossíntese natural”, disse Prabal K Maiti, professor do Departamento de Física e um dos autores correspondentes do estudo. “Essas descobertas podem ajudar no projeto de sistemas eficientes de fotossíntese artificial, capazes de converter energia solar em combustíveis químicos, contribuindo assim para soluções inovadoras e sustentáveis de energia renovável”.
Bill Goddard, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia e um dos autores correspondentes, disse que esta é uma combinação perfeita de diferentes níveis de teoria para resolver um problema de longa data, alcançando finalmente um novo nível de compreensão, mas ainda deixando mistérios a serem desafiados.
