Mistério da fotossíntese de décadas finalmente resolvido
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 – o processo vital através do qual plantas, algas e certas bactérias capturam a luz solar para gerar compostos ricos em oxigênio e energia.
A sua investigação revela porque é que os primeiros movimentos dos electrões, que são cruciais para a transferência de energia, ocorrem através de apenas um lado de uma estrutura chave de proteína-pigmento. As descobertas foram publicadas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
A fotossíntese é uma sequência de reações nas quais os elétrons passam entre múltiplas moléculas de pigmento. Embora tenha sido examinado há décadas, o processo continua difícil de explicar completamente porque envolve numerosos componentes intrincados, opera em escalas de tempo extremamente rápidas e varia ligeiramente entre as diferentes espécies. Obter uma compreensão mais profunda destas etapas poderia ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais eficientes, como folhas sintéticas e tecnologias de combustível baseadas na energia solar, que reproduzam o design da natureza.
Na maioria das formas de vida que utilizam a fotossíntese, o processo começa com um complexo proteína-pigmento conhecido como Fotossistema II (PSII). Este complexo captura a luz solar e divide as moléculas de água, liberando oxigênio e enviando elétrons para outras moléculas na cadeia de transferência de energia.
O PSII contém dois ramos quase idênticos, conhecidos como D1 e D2, rodeados por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitinas. Estes estão dispostos simetricamente e conectados a transportadores de elétrons conhecidos como plastoquinonas. Em teoria, os elétrons deveriam passar da clorofila para a feofitina e depois para a plastoquinona ao longo de ambos os ramos.
No entanto, experiências têm mostrado consistentemente que os electrões se movem apenas 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 investigar este desequilíbrio, a equipa combinou simulações de dinâmica molecular, análises de mecânica quântica e a teoria de Marcus (um modelo vencedor do Prémio Nobel que descreve como os eletrões são transferidos) para traçar os padrões de energia em ambos os caminhos. “Avaliamos a eficiência da transferência de elétrons passo a passo através dos ramos D1 e D2”, diz Shubham Basera, estudante de doutorado no Departamento de Física e um dos autores.
A equipe descobriu que o ramo D2 tem uma barreira energética muito maior, o que torna o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a transferência de electrões da feofitina para a plastoquinona em D2 requer o dobro da energia de activação que D1 – uma barreira que os electrões parecem incapazes de ultrapassar, impedindo que a energia flua para a frente.
Os pesquisadores também simularam as características corrente-tensão de ambos os ramos e descobriram que a resistência contra o movimento dos elétrons em D2 era duas ordens de grandeza maior do que em D1.
A assimetria no fluxo de elétrons também pode ser influenciada por diferenças sutis no ambiente proteico ao redor do PSII e como os pigmentos estão incorporados nele, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o pigmento clorofila em D1 tem um estado de excitação com energia mais baixa do que o seu homólogo D2, sugerindo que o pigmento D1 tem uma melhor chance de atrair e transferir elétrons.
Os pesquisadores também sugerem que o ajuste de alguns desses componentes pode aumentar ou religar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, a troca de clorofila e feofitina em D2 poderia superar o bloqueio de elétrons, porque a clorofila precisa de energia de ativação mais baixa do que a feofitina.
“Nossa pesquisa apresenta um avanço significativo na compreensão da fotossíntese natural”, diz Prabal K Maiti, professor do Departamento de Física e um dos autores correspondentes do estudo. “Essas descobertas podem ajudar a projetar sistemas fotossintéticos artificiais eficientes, capazes de converter energia solar em combustíveis químicos, contribuindo para soluções inovadoras e sustentáveis de energia renovável”.
Esta é uma bela combinação de teoria em vários níveis para abordar um problema de longa data que culmina num novo nível de compreensão, mas ainda deixando mistérios a serem desafiados, diz Bill Goddard, professor da Caltech e um dos autores correspondentes.
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