La obra, hecha
posible por los pulsos ultrarápidos de rayos X en la fuente de luz
coherente de Linac SLAC (LCLS), es un gran avance en el estudio a
escala atómica de las transformaciones en la fotosíntesis
ECOticias.
Investigadores utilizaron un láser de rayos X en el
Departamento de Energía (DOE) de 'SLAC National Accelerator
Laboratory', en California (Estados Unidos), para mirar simultáneamente
el comportamiento de la estructura y la química de un catalizador
natural involucrado en la fotosíntesis, con el fin de conocer mejor la
manera en la que las plantas generan el oxígeno que respiramos, según
publica este jueves 'Science'.
La obra, hecha posible por los pulsos ultrarápidos de rayos X en
la fuente de luz coherente de Linac SLAC (LCLS), es un gran avance en
el estudio a escala atómica de las transformaciones en la fotosíntesis
y otros procesos biológicos e industriales que dependen de
catalizadores para acelerar las reacciones de manera eficaz.
"Toda la vida que depende de oxígeno depende de la fotosíntesis",
afirmó Junko Yano, químico del 'Lawrence Berkeley National Laboratory'
y colíder en el experimento. "Si se puede aprender a hacerlo como lo
hace la naturaleza, se puede aplicar a principios de diseño de
sistemas artificiales, como la creación de fuentes de energía
renovables. Esto abre el camino para aprender mucho acerca de los
cambios que ocurren en el ciclo catalizador".
Los catalizadores son esenciales para muchos procesos
industriales, como la producción de combustibles, alimentos, productos
farmacéuticos y fertilizantes, y representan 9.000 millones de euros
anuales en el mercado de Estados Unidos. Los catalizadores naturales son
también esenciales para la química de la vida, por lo que un objetivo
importante de la ciencia de los rayos X es aprender cómo funcionan en
la fotosíntesis, que produce energía de la luz solar, el oxígeno y el
agua.
El experimento LCLS se centró en el fotosistema II, un complejo
de proteínas en plantas, algas y algunos microbios que lleva a cabo la
etapa de producción de oxígeno de la fotosíntesis. Este proceso de
cuatro pasos tiene lugar en un catalizador simple: un grupo de calcio y
átomos de manganeso. En cada paso, el fotosistema II absorbe un fotón
de luz solar y libera un protón y un electrón, que proporcionan la
energía para unir dos moléculas de agua, los rompen y liberan una
molécula de oxígeno.
Estudios anteriores fueron capaces de congelar los cristales del
catalizador en diversas etapas del proceso y ver cómo estaba. Los
científicos querían ver la química que se producía lugar, pero no fue
posible en otras instalaciones de rayos X, ya que los cristales frágiles
tenían que ser congelados para protegerlos de daños por radiación.
Sin embargo, el LCLS láser de rayos X tiene pulsos breves, medidos
en cuadritrillones de un segundo, que podrían sondear los cristales a
temperatura ambiente en un estado químicamente activo, antes de que
se produjera cualquier daño, y generar datos sobre dos de los cuatro
pasos en la generación de oxígeno.
"Hemos decidido utilizar dos técnicas de rayos X a la vez en el
LCLS: cristalografía para observar la estructura atómica global del
fotosistema II y espectroscopia para documentar la posición y el flujo
de electrones en el catalizador", explica Vittal Yachandra, químico en
el laboratorio de Berkeley colíder del proyecto. "Los electrones son
importantes porque están involucrados en la fabricación y la ruptura de
enlaces y otros procesos en el corazón de las reacciones químicas",
agrega.
Otro de los autores, el físico Uwe Bergmann en SLAC, dijo: "Este
resultado es un paso crítico en el objetivo final de ver el ciclo
completo de la descomposición del agua en oxígeno durante la
fotosíntesis." El uso de ambas técnicas también verificó que la
estructura molecular de las muestras no se daña durante la medición con
el LCLS, como resaltó este experto: "Es la primera vez que hemos
resuelto la estructura del fotosistema II en las condiciones en las que
sabemos con seguridad que la maquinaria que hace la división del agua
es completamente intacta".
En experimentos futuros, estos investigadores esperan poder
estudiar todos los pasos llevados a cabo por el fotosistema II en una
resolución más alta, dejando al descubierto la completa transformación
de moléculas de agua en moléculas de oxígeno, algo que se considera
una clave para desbloquear el uso potencial del sistema en la
fabricación de combustibles alternativos. "Conseguir algunas de las
instantáneas críticas de esta transición sería la meta final",
concluyó Jan Kern, en Berkeley Lab y SLAC y autor principal del
artículo.
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