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.
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.
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