No importa la historia de Moisés separando el Mar Rojo. ¿Cómo dividen exactamente las plantas el agua?
Un equipo internacional de científicos se está acercando a la respuesta gracias a imágenes a escala atómica sin precedentes de un complejo de proteínas que se encuentra en plantas, algas y cianobacterias capturadas por rayos láser ultrarrápidos.
Los experimentos, dirigidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, están ayudando a los investigadores a reducir el proceso por el cual la proteína, llamada fotosistema II, usa energía de la luz para dividir el agua y crear oxígeno. Casi todo el oxígenoen la atmósfera se produce en este sistema. Igual de importante, esta reacción también produce protones y electrones que se utilizan para reducir el dióxido de carbono a carbohidratos más adelante en el ciclo de fotosíntesis.
Las imágenes, publicadas en la edición del 21 de noviembre de la revista Naturaleza , proporciona la primera vista tridimensional de alta resolución del fotosistema II en acción, una hazaña lograda mediante el uso de pulsos de láser de rayos X de rayos X XFEL inimaginablemente rápidos de la fuente de luz coherente Linac LCLS en el acelerador nacional SLACLaboratorio, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
El fotosistema II se encuentra en el tilacoide, un compartimento en cloroplastos y cianobacterias rodeado por una membrana. El tilacoide es donde ocurren las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis, aunque la naturaleza exacta de esas reacciones, paradójicamente, ha estado en la oscuridad durantecientíficos.
"Se tomaron crioimágenes cuando la proteína estaba en un estado oscuro o en reposo", dijo el investigador principal del estudio, Junko Yano, científico principal de la División de Bioimagen Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab. "Pero las etapas del fotosistema II no lo hacen".proceder a temperaturas de congelación. Lo que hemos podido hacer por primera vez con láser de rayos X es estudiar este proceso a temperatura ambiente para que podamos saber qué está sucediendo realmente en la naturaleza ".
Yano trabajó con el co-investigador principal, Vittal Yachandra, y los autores principales Nicholas Sauter y Jan Kern, todos miembros de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab.
"Hemos estado tratando durante décadas de comprender cómo las plantas dividen el agua en oxígeno, protones y electrones", dijo Yachandra. "Comprender cómo la naturaleza logra esta difícil reacción tan fácilmente es importante para desarrollar un método rentable para energía solardivisión del agua, que es esencial para la fotosíntesis artificial y las energías renovables ".
Estaban especialmente interesados en el pequeño catalizador metálico de la proteína, un complejo de oxígeno en evolución en el cual los átomos de oxígeno unen 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 clave enfotosíntesis.
"Para nuestra sorpresa, encontramos que las dos teorías principales que explican los mecanismos de cómo procede la reacción probablemente no son correctas", dijo Yachandra. "Si las teorías fueran correctas, habríamos visto que el agua se adhiere a sitios específicos y otras predichascaracterísticas en la proteína. Esto significa que algo más está sucediendo, así que ahora nos estamos enfocando en la respuesta correcta por el proceso de eliminación ".
captura de datos antes de la destrucción
La capacidad de echar un vistazo al proceso de división del agua a temperatura ambiente se ha visto obstaculizada por el hecho de que la mayoría de las tecnologías de imágenes o cristalografía que utilizan láseres de rayos X disparan las muestras en pedazos antes de que se puedan recopilar datos significativos.LCLS cambió eso.
"La belleza de la LCLS es que los pulsos láser son tan cortos, de solo 40 femtosegundos de duración, pero muy intensos, que puede recopilar los datos antes de que se destruya la muestra", dijo Kern. "Es muy nuevo,y solo hay dos lugares en el mundo donde eso se puede hacer actualmente "
Un femtosegundo es una cuadrillonésima parte de un segundo. Para tener una idea de la escala, se puede comparar con lo que sería un segundo en un lapso de unos 30 millones de años.
Obtener detalles de mayor resolución que muestren enlaces moleculares también requiere muestras de cristal de mayor calidad cultivadas en condiciones controladas con precisión.
"La resolución espacial de la estructura que estamos informando es 2.25 angstroms", dijo Kern. "Estamos tratando de ver el proceso en escalas de longitud extremadamente pequeñas, y esta es la primera vez que obtenemos una resolución espacial queincluso se acerca a eso. Solo estamos empezando a entender la historia ".
En LCLS, los investigadores primero iluminaron sus muestras de cristal con fotones verdes para desencadenar las reacciones fotosintéticas en el fotosistema II. Luego dispararon los pulsos de rayos X a los cristales, produciendo datos de difracción que se recopilaron rápidamente antes de que el cristal fuera destruido.Los investigadores utilizaron el amoníaco como marcador para ayudar a determinar la ubicación de las moléculas de agua en toda la estructura. Si el amoníaco estaba presente en un sitio de unión, entonces los investigadores sabían que el agua no estaba allí.
Poniendo las piezas juntas
Algoritmos de software desarrollados por Sauter, Paul Adams también de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada en Berkeley Lab, y sus respectivos grupos se utilizaron para traducir las lecturas de difracción en la representación tridimensional del fotosistema II.
Dado que cada muestra de cristal solo puede sobrevivir a un disparo del láser de rayos X antes de convertirse en fragmentos, los investigadores tuvieron que cultivar cientos de miles de ellos para obtener datos suficientes para cubrir las etapas intermedias de la reacción.
"En LCLS, solo obtienes una pequeña porción de datos a la vez, por lo que debes juntarlos todos", dijo Sauter al describir el papel del software utilizado para crear las imágenes. "Es como tomar un rompecabezas,tirar todas las piezas al piso y luego volver a armarlas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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