Para comprender lo que sucede dentro de una colmena no se puede simplemente estudiar la actividad de una sola abeja. Del mismo modo, para comprender la recolección de luz fotosintética que tiene lugar dentro del cloroplasto de una hoja, no se puede simplemente estudiar la actividadLos investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de California UC Berkeley han creado el primer modelo computacional que simula la actividad de captación de luz de las miles de proteínas de antena.eso estaría interactuando en el cloroplasto de una hoja real. Los resultados de este modelo señalan el camino para mejorar los rendimientos de los cultivos de alimentos y combustibles, y desarrollar tecnologías de fotosíntesis artificial para los sistemas de energía solar de próxima generación.
El nuevo modelo simula la recolección de luz a través de varios cientos de nanómetros de una membrana de tilacoide, que es la membrana dentro de un cloroplasto que alberga el fotosistema II PSII, un complejo de antenas formadas principalmente por proteínas que contienen clorofila.La PSII obtiene energía de "excitación" cuando absorbe la luz solar y, a través de los efectos de la mecánica cuántica, transporta casi instantáneamente esta energía extra a los centros de reacción para convertirla en energía química. Los modelos anteriores de PSII simulaban el transporte de energía dentro de una proteína de antena única.
"Nuestro modelo, que analizó unas 10,000 proteínas que contienen alrededor de 100,000 moléculas de clorofila, es el primero en simular una región de la membrana PSII lo suficientemente grande como para representar el comportamiento en un cloroplasto, respetando y usando tanto la dinámica cuántica como la estructura espacial delos componentes de la membrana ", dice el químico Graham Fleming, quien supervisó el desarrollo de este modelo. Fleming es una autoridad mundial en la dinámica cuántica de la fotosíntesis. Tiene citas con Berkeley Lab, la Universidad de California UC Berkeley y Kavli EnergyInstituto de Nanociencia en Berkeley.
"Utilizamos conocimientos de biología estructural, espectroscopía avanzada y teoría para reproducir fenómenos observados que abarcan desde un nanómetro hasta cientos de nanómetros, y desde diez femtosegundos hasta un nanosegundo", dice Fleming. "Esto nos permite explicar los mecanismos subyacentes a la altaeficiencia cuántica de la cosecha de luz PSII en condiciones ideales por primera vez "
Fleming es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . El artículo se titula "Modelo multiescala de la cosecha de luz del fotosistema II en la membrana tilacoide de las plantas". Los coautores son Kapil Amarnath, Doran Bennett y Anna Schneider.
La capacidad de las plantas verdes de prosperar a la luz solar se debe en parte a la flexibilidad que muestra la PSII en la recolección de energía solar. A bajos niveles de luz, a través de procesos cuánticos que han sido modelados por Fleming y compañeros de trabajo, se puede utilizar un fotón de luz solarpara la creación de energía química con más del 90 por ciento de probabilidad. Gracias a un mecanismo de protección conocido como "enfriamiento dependiente de la energía", PSII puede garantizar que una planta absorba solo la cantidad de energía solar que necesita, mientras que el exceso de energía podría dañarla planta se disipa con seguridad
El trabajo anterior de Fleming y su grupo de investigación reveló un mecanismo molecular por el cual el PSII puede actuar como una especie de "interruptor atenuador" fotosintético para regular la cantidad de energía solar transportada al centro de reacción. Sin embargo, este trabajo se realizó parauna sola antena PSII y no reflejaba cómo estos mecanismos podrían afectar el transporte de energía a través de conjuntos de antenas, lo que a su vez afectaría el rendimiento fotoquímico en los centros de reacción de una membrana tilacoide funcional.
"Nuestro nuevo modelo muestra que la energía de excitación se mueve de manera difusa a través de las antenas con una longitud de difusión de 50 nanómetros hasta que alcanza un centro de reacción", dice Fleming. "La longitud de difusión de esta energía de excitación determina la alta eficiencia cuántica del PSII en condiciones ideales,y cómo se altera esa eficiencia por la morfología de la membrana y el cierre de los centros de reacción. En última instancia, esto significa que la longitud de difusión de esta energía de excitación determina la eficiencia fotosintética de la planta huésped ".
Dado que la capacidad de PSII para regular la cantidad de energía solar que se convierte en energía química es esencial para la aptitud óptima de la planta bajo la luz solar natural, comprender esta capacidad y aprender a manipularla es un requisito previo para diseñar sistemáticamente el aparato de recolección de luz encultivos. También debería ser muy útil para diseñar materiales artificiales con las mismas propiedades flexibles.
"Nuestro siguiente paso es aprender ahora a modelar un sistema de la complejidad de PSII en escalas de tiempo que van desde femtosegundos a minutos, y escalas que van desde nanómetros a micrómetros", dice Fleming.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE. El trabajo computacional se llevó a cabo en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE alojada en Berkeley Lab.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Lynn Yarris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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