Un estimado colega nos comparte el presente artículo de divulgación que considero es una verdadera joya por su claridad y profundidad para explicar un proceso extraordinariamente complejo. El artículo se publicó en el boletín de noticias de Ludwig Maximilian University of Munich (LMU) el 24 de marzo de 2023 y lo tradujimos nosotros para este espacio. Veamos de qué se trata…
La fotosíntesis impulsa toda la vida en la Tierra. Se requieren procesos complejos para la conversión de dióxido de carbono y agua, impulsada por la luz solar, en azúcar y oxígeno ricos en energía. Estos procesos están impulsados por dos complejos proteicos, los fotosistemas I y II. En el fotosistema I, la luz del sol se utiliza con una eficiencia de casi el 100%. Aquí una compleja red de 288 clorofilas juega el papel decisivo.
Un equipo dirigido por la química de la LMU, Regina de Vivie-Riedle, han caracterizado estas clorofilas con la ayuda de cálculos químicos cuánticos de alta precisión, un hito importante hacia una comprensión integral de la transferencia de energía en este sistema. Este descubrimiento puede ayudar a explotar su eficiencia en sistemas artificiales en el futuro.
Las clorofilas en el fotosistema I capturan la luz solar en un complejo de antenas y transfieren la energía a un centro de reacción. Allí, la energía solar se utiliza para desencadenar un proceso redox, es decir, un proceso químico por el que se transfieren electrones.
El rendimiento cuántico del fotosistema I es casi del 100 %, lo que significa que casi todos los fotones absorbidos conducen a un evento redox en el centro de reacción.
Simulación en condiciones naturales
"Aunque la complicada transferencia de energía dentro del fotosistema se ha estudiado durante décadas, hasta el día de hoy no hay consenso sobre el mecanismo exacto", dice de Vivie-Riedle. Para obtener información más profunda, los investigadores simularon la excitación lumínica de todas las clorofilas en un modelo de fotosistema I incrustado en una membrana lipídica. Se utilizó un método de referencia múltiple de alta precisión para calcular las excitaciones electrónicas.
En comparación con estudios anteriores, este enfoque permite describir el fotosistema I sobre la base de la metodología más avanzada. Los complicados cálculos fueron posibles gracias a la supercomputadora del Centro de Supercomputación de Leibniz. Los resultados del estudio, que aparecen en la portada de la revista Chemical Science, revelan las llamadas "clorofilas rojas" que absorben luz a energías ligeramente más bajas que sus vecinos debido a los efectos electrostáticos ambientales.
Como resultado, su espectro de absorción se desplaza hacia el rojo. De manera análoga, los investigadores también identificaron barreras de energía entre el complejo de antenas y el centro de reacción, entre otros lugares.
"Esto parece sorprendente a primera vista porque no hay un gradiente obvio a lo largo del cual se transfiere la energía desde el complejo de antenas hasta el centro de reacción", explica el autor principal, Sebastian Reiter.
Las fluctuaciones superan las barreras energéticas
En condiciones fisiológicas, sin embargo, todo el fotosistema I está sujeto a fluctuaciones térmicas que superan estas barreras energéticas, ya que las energías relativas de las clorofilas cambian entre sí. De esta manera, se pueden abrir constantemente nuevos caminos hacia el centro de reacción, mientras que otros se cierran. Esto, según la tesis central de los autores, podría ser la clave de la alta eficiencia del fotosistema I.
"Nuestra simulación atomística de estos procesos permite una comprensión microscópica del sistema y su dinámica en su entorno natural, que complementa los enfoques experimentales", concluye Regina de Vivie-Riedle, quien también es miembro del grupo de excelencia de conversión electrónica.
Uno de los objetivos del clúster es transferir algún día la eficiencia de los fotocatalizadores naturales a sistemas híbridos nano-bio artificiales para aplicaciones como la producción de hidrógeno como vector de energía o la conversión de monóxido de carbono en combustible. Esto requiere una mejor comprensión del mecanismo de transferencia de energía. Con sus resultados sobre el fotosistema I, los científicos ahora han dado un paso importante hacia la realización de este objetivo.
