¿De qué manera exactamente dividen las plantas el agua? Un equipo internacional de científicos se está acercando a la respuesta gracias a las imágenes a escala atómica sin precedentes de un complejo de proteínas que se encuentran en plantas, algas y cianobacterias capturadas por láseres ultrarrápidos de rayos-X.
Los experimentos, dirigidos por el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), del Departamento de Energía de Estados Unidos, están ayudando a los investigadores a concretar el proceso mediante el cual la proteína, llamada fotosistema II, usa energía luminosa para dividir el agua y crear oxígeno. Casi todo el oxígeno en la atmósfera se produce en este sistema. De manera igualmente importante, esta reacción también produce protones y electrones que son utilizados para reducir el dióxido de carbono a carbohidratos más tarde en el ciclo de la fotosíntesis.
Las imágenes, publicadas en la revista Nature, proporcionan la primera vista de alta resolución en 3-D del fotosistema II en acción, una hazaña lograda mediante el uso de un láser de rayos X de electrones libres (XFEL) de pulsos inimaginablemente rápidos de la fuente de luz coherente de Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, una oficina del Departamento de Energía.
El fotosistema II se encuentra en el tilacoide, un compartimento hallado en cloroplastos y cianobacterias rodeado por una membrana. El tilacoide es el lugar donde se producen las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis. Sin embargo, paradójicamente, la naturaleza exacta de esas reacciones ha permanecido en la oscuridad para los científicos.
«Han existido crio-imágenes tomadas cuando la proteína se encontraba en un estado de oscuridad o de descanso», explicó la directora del estudio e investigadora Junko Yano, científica senior de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada del Laboratorio de Berkeley. «Pero las etapas del fotosistema II no suceden a temperaturas de congelación. Lo que hemos podido hacer por primera vez usando láseres de rayos X es estudiar este proceso a temperatura ambiente para poder decir lo que realmente sucede en la naturaleza».
Yano trabajó con el investigador principal, Vittal Yachandra, y con los autores principales, Nicholas Sauter y Jan Kern, todos ellos miembros de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab.
«Hemos estado intentando durante décadas comprender cómo las plantas dividen el agua en oxígeno, protones y electrones», dijo Yachandra. «Entender cómo logra la naturaleza esta difícil reacción con tanta facilidad es importante para desarrollar un método rentable para la división del agua basada en la energía solar, que es esencial para la fotosíntesis artificial y la energía renovable».
Estaban especialmente interesados en el pequeño catalizador metálico de la proteína, un complejo en el que átomos de oxígeno puentean cuatro átomos de manganeso con un átomo de calcio. La forma en que este catalizador almacena la energía de los fotones y oxida dos moléculas de agua ha sido una pregunta fundamental de la fotosíntesis.
«Para nuestra sorpresa, hallamos que las dos principales teorías que explican los mecanismos sobre cómo sucede la reacción probablemente no sean correctas», dijo Yachandra. «Si las teorías fueran correctas, habríamos visto al agua realizar uniones en sitios específicos y otras características previstas en la proteína. Esto significa que algo más está sucediendo, por lo que ahora estamos tratando de hallar la respuesta correcta mediante un proceso de eliminación».
Capturando datos antes de la destrucción
La capacidad de mirar en el proceso de separación de agua a temperatura ambiente se ha visto obstaculizada por el hecho de que la mayor parte de la tecnología de imagen o cristalografía que utiliza láseres de rayos X hace añicos las muestras antes de que puedan ser recogidos datos significativos. Los recientes avances hechos posibles por el LCLS cambiaron eso.
«Lo bonito que tiene el LCLS es que los pulsos de láser son tan cortos, de tan sólo 40 femtosegundos de duración pero muy intensos, que permiten recopilar los datos antes de que la muestra se destruya», dijo Kern. «Es muy nuevo, y sólo hay dos lugares en el mundo donde se puede hacer en la actualidad».
Un femtosegundo es una milbillonésima parte de un segundo. Para hacerse una idea de la escala, se puede comparar con lo que sería un segundo en un lapso de unos 30 millones de años.
La obtención de detalles de mayor resolución que muestren enlaces moleculares también requiere de muestras de cristal de mayor calidad cultivadas en condiciones controladas con precisión.
«La resolución espacial de la estructura que estamos reportando es de 2,25 angstroms», dijo Kern. «Estamos tratando de ver el proceso en escalas de longitud extremadamente pequeñas, y esta es la primera vez que estamos obteniendo una resolución espacial que se llega a acercar a eso. Apenas estamos empezando a entender esta historia».
Con el LCLS, los investigadores primero iluminaron sus muestras de cristal con fotones verdes para activar las reacciones fotosintéticas en el fotosistema II. A continuación, dispararon una serie de pulsos de rayos X en los cristales, produciendo datos de difracción que se recogieron rápidamente antes de que el cristal se destruyera. Los investigadores utilizaron el amoníaco como marcador para ayudar a determinar la ubicación de las moléculas de agua a lo largo de la estructura. Si el amoníaco resultaba estar presente en un lugar de unión, entonces los investigadores sabían que el agua no estaba allí.
Juntando las piezas
Mediante algoritmos de software desarrollados por Sauter, Paul Adams (también de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de la Berkeley Lab), y sus respectivos equipos lograron traducir las lecturas de difracción en representaciones en 3D de fotosistema II.
Debido a que cada muestra de cristal sólo puede sobrevivir a un disparo de láser de rayos X antes de ser reducido a pedacitos, los investigadores tuvieron que cultivar cientos de miles de ellos para obtener suficientes datos para cubrir las etapas intermedias de la reacción.
«Dado que con el LCLS sólo se obtiene una pequeña cantidad de datos a la vez, hay que juntarlos todos ellos», dijo Sauter al describir el papel del software utilizado para crear las imágenes. «Es como tomar un rompecabezas, tirar todas las piezas al suelo, y luego volver a juntarlas todas ellas».
Artículo original publicado por Berkeley Lab. Revisado y traducido por ¡QFC!
