Tendencias21
Consiguen ver la fotosíntesis en plena acción

Consiguen ver la fotosíntesis en plena acción

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado un láser de rayos X para observar, por vez primera de manera simultánea, el comportamiento de la estructura y de la química de un catalizador natural involucrado en la fotosíntesis. Esta observación ayudará a comprender cómo funciona este proceso natural para aplicarlo de manera artificial al desarrollo de combustibles alternativos, entre otras posibilidades.

Consiguen ver la fotosíntesis en plena acción

Abriendo una nueva vía de observación del proceso por el que las plantas generan el oxígeno que respiramos, un equipo de investigadores ha utilizado un láser de rayos X en el SLAC National Accelerator Laboratory de Estados Unidos, para observar, por vez primera de manera simultánea, el comportamiento de la estructura y de la química de una catalizador natural involucrado en la fotosíntesis.

Este logro fue posible gracias a los pulsos ultrarápidos y ultrabrillantes de una herramienta altamente especializada: la fuente de luz coherente Linac SLAC (LCLS), y supone un gran avance en el estudio a escala atómica de las transformaciones acaecidas en la fotosíntesis y en otros procesos biológicos e industriales que dependen de catalizadores (que son eficientes aceleradores de reacciones). Los resultados de la presente investigación han aparecido detallados en la revista Science.

Trasladar un proceso natural a procesos artificiales

«Toda las formas de vida que dependen del oxígeno dependen de la fotosíntesis», explica Junko Yano, químico del Lawrence Berkeley National Laboratory y co-director de la investigación, en un comunicado del SLAC.

«Si podemos aprender a emular este proceso, podríamos aplicar los principios de diseño naturales a sistemas artificiales para crear, por ejemplo, nuevas fuentes de energía renovables. Este avance abre una vía para aprender mucho acerca de los cambios acaecidos en el ciclo catalítico”, añade Yano.

Los catalizadores son esenciales para muchos procesos industriales, como la producción de combustibles, alimentos, productos farmacéuticos y fertilizantes. Los catalizadores naturales, por su parte, también resultan clave en la química biológica.

Uno de los más importantes objetivos de la ciencia de rayos X es aprender cómo funcionan estos catalizadores en la fotosíntesis, un proceso a partir del cual se genera oxígeno y energía a partir de la luz solar.

Visión gracias a pulsos brevísimos

El experimento del LCLS se centró concretamente en el fotosistema II, un complejo de proteínas de las plantas, las algas y de algunos microbios que realiza la fase de producción de oxígeno de la fotosíntesis.

Este proceso de cuatro pasos tiene lugar en un catalizador simple – un grupo de átomos de manganeso y calcio-. En cada paso, el fotosistema II absorbe un fotón de luz solar y libera un protón y un electrón, que proporcionan la energía necesaria para unir dos moléculas de agua, descomponerlas y liberar una molécula de oxígeno.

En investigaciones previas se había conseguido congelar los cristales del catalizador en diversas etapas del proceso, y observar este.
Pero los científicos deseaban, además, ver la química implicada en dicho proceso. Esto no había sido posible en otros centros de rayos X, porque los frágiles cristales tenían que ser congelados para protegerlos de los daños por radiación.

Pero los pulsos del láser de rayos X del LCLS son tan breves –se miden en cuantrillonésimas de segundo-, que permitieron sondear los cristales a temperatura ambiente, en un estado químicamente activo, antes de que en estos se produjera ningún daño. El sistema pudo así generar datos sobre dos de los cuatro pasos del proceso de generación de oxígeno.

«Decidimos utilizar dos técnicas de rayos X a la vez: la cristalografía, para observar la estructura atómica global del fotosistema II, y la espectroscopia para documentar la posición y el flujo de electrones en el catalizador», explica otro de los autores del experimento, el químico del Laboratorio de Berkeley Vittal Yachandra. «Estos electrones son importantes porque están involucrados en la fabricación y la ruptura de enlaces y otros procesos, en el núcleo de las reacciones químicas”, añade Yachandra.

El uso de ambas técnicas también verificó que la estructura molecular de las muestras no se dañó durante la medición con el LCLS. Según Bergamann, «es la primera vez que hemos determinado la estructura del fotosistema II bajo condiciones que nos aseguran que la maquinaria que realiza la división del agua queda completamente intacta».

Claves para desarrollar combustibles alternativos

El físico del SLAC Uwe Bergmann señala por su parte que: «Este resultado es un paso clave hacia el objetivo final, que es ver el ciclo completo de la descomposición del agua en oxígeno durante la fotosíntesis”.

En este camino, en próximos experimentos con el LCLS, los investigadores esperan estudiar todos los pasos llevados a cabo por el fotosistema II en una resolución más alta, dejando al descubierto la completa transformación de las moléculas de agua en moléculas de oxígeno, un cambio que se considera clave para el desarrollo de combustibles alternativos.

«Conseguir algunas de las instantáneas críticas de esta transición sería la meta final», afirma Jan Kern, autor principal del artículo de Sience. «Ese logro realmente respondería todas las cuestiones actuales sobre cómo funciona dicho mecanismo».

Además de científicos del Berkeley Lab, del SLAC y de la Universidad de Stanford, en este estudio han participado investigadores de la Universidad Técnica de Berlín (Alemania), de las universidades de Umea y Estocolmo (Suecia) y del European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Francia.

Referencia bibliográfica:

J. Kern et al. Simultaneous Femtosecond X-ray Spectroscopy and Diffraction of Photosystem II at Room Temperature. Science (2013). DOI:10.1126/science.1234273.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Un enorme desierto en Asia se está transformando en un vergel gracias al cambio climático 1 junio, 2025
    Los hallazgos de un nuevo estudio muestran que la ecologización del desierto de Thar ha sido impulsada principalmente por más lluvias durante las temporadas de monzones de verano, un aumento del 64% en las precipitaciones en general por el cambio climático y, en segundo lugar, por la infraestructura de riego que lleva el agua subterránea […]
    Pablo Javier Piacente / T21
  • La NASA está observando una enorme y creciente anomalía en el campo magnético de la Tierra 31 mayo, 2025
    La NASA está haciendo un seguimiento detallado de la "abolladura" o "bache" en el campo magnético terrestre descubierta en 1961, que crece rápidamente y podría ser el preludio de una inversión geomagnética: ocurre cuando los polos magnéticos norte y sur intercambian posiciones.
    EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE/T21
  • Los árboles pueden predecir las erupciones volcánicas 30 mayo, 2025
    La NASA, en colaboración con el Instituto Smithsonian, en Estados Unidos, está desarrollando nuevos métodos para anticipar erupciones volcánicas. Cuando el magma asciende a la superficie libera dióxido de carbono, y los árboles cercanos que absorben ese gas se vuelven más verdes y frondosos. Satélites como Landsat 8 vigilan la vegetación en zonas volcánicas, captando […]
    Pablo Javier Piacente / T21
  • Los delfines se ponen nombres "en clave" 30 mayo, 2025
    Un nuevo estudio ha identificado que los delfines no solo se dan nombres para reconocerse, sino que además estas denominaciones podrían esconder información secreta o "en clave", que estaría ligada a los sistemas sociales que sustentan el equilibrio de sus comunidades.
    Pablo Javier Piacente / T21
  • Sorprenden a una “estrella araña” devorando a su compañera 30 mayo, 2025
    Una colaboración internacional de astrónomos ha identificado un extraño sistema estelar en el que un púlsar conocido como “estrella araña” devora material de su estrella compañera, en un hallazgo que representa un eslabón perdido en la evolución de sistemas binarios compactos. 
    Redacción T21
  • Planetas a la deriva: el origen caótico de los mundos lejanos respalda la existencia del Planeta Nueve 30 mayo, 2025
    En los márgenes más remotos de los sistemas planetarios, gigantes invisibles orbitan en silencio. Un nuevo modelo sugiere que estos mundos distantes son productos inevitables del caos primordial que reina cuando las estrellas y sus planetas compiten por sobrevivir en los abarrotados viveros estelares. ¿Podría nuestro propio Sistema Solar albergar uno de estos esquivos colosos?
    EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE/T21
  • Unas gafas de realidad mixta devuelven "el mundo entero" a las personas con pérdida parcial de la visión 29 mayo, 2025
    Una técnica desarrollada por oftalmólogos e informáticos canadienses devuelve la visión perdida a personas afectadas por una lesión cerebral, que han sufrido la reducción de gran parte de su campo visual. Las gafas de realidad mixta registran y "proyectan" ese sector que las personas no pueden ver con sus ojos.
    Pablo Javier Piacente / T21
  • Primer combate de kickboxing con robots humanoides 29 mayo, 2025
    En Hangzhou, China, se celebró el 25 de mayo de 2025 el primer torneo mundial de kickboxing entre robots humanoides, un espectáculo que, según los organizadores, marcó “un momento histórico en la integración de la Inteligencia Artificial (IA) en los deportes de combate”. 
    Pablo Javier Piacente / T21
  • Primera evidencia directa del pensamiento simbólico neandertal 29 mayo, 2025
    El meticuloso análisis de un canto rodado del Paleolítico Medio aporta una prueba tangible del comportamiento simbólico y la capacidad de abstracción de los últimos neandertales que habitaron la Península Ibérica, pudiendo representar una de las primeras simbolizaciones faciales conocidas.
    EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE/T21
  • Un "cóctel antienvejecimiento" alarga un 30% la vida en roedores 29 mayo, 2025
    Los científicos han probado un cóctel de medicamentos antienvejecimiento en ratones y descubrieron que extendía la vida útil de los animales en alrededor del 30 %. Los roedores también se mantuvieron más saludables por más tiempo, con menos inflamación crónica y retraso en el inicio de enfermedades como cáncer.
    Redacción T21