Cientistas do Instituto Indiano de Ciência (IISc) e do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) finalmente resolveram um enigma de longa data sobre os momentos iniciais da fotossíntese — o processo vital pelo qual plantas, algas e certas bactérias capturam a luz solar para gerar oxigênio e compostos energéticos.
A pesquisa revela por que os primeiros movimentos de elétrons, que são cruciais para a transferência de energia, ocorrem apenas de um lado de uma estrutura fundamental de proteína e pigmento. As descobertas foram publicadas na Proceedings of the National Academy of Sciences.
A fotossíntese é uma sequência de reações nas quais os elétrons passam entre múltiplas moléculas de pigmento. Embora tenha sido estudada durante décadas, o processo ainda é difícil de explicar completamente, pois envolve numerosos componentes intricados, opera em escalas de tempo extremamente rápidas e varia ligeiramente entre diferentes espécies. Compreender melhor essas etapas pode ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais eficientes, como folhas sintéticas e tecnologias de combustível solar, que replicam o design da natureza.
Na maioria dos organismos que utilizam a fotossíntese, o processo começa com um complexo de proteína e pigmento conhecido como Fotossistema II (PSII). Este complexo captura a luz solar e divide moléculas de água, liberando oxigênio e encaminhando elétrons para outras moléculas na cadeia de transferência de energia.
O PSII contém dois ramos quase idênticos, conhecidos como D1 e D2, rodeados por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitinas. Estes estão dispostos simetricamente e conectados a transportadores de elétrons conhecidos como plastoquinonas. Em teoria, os elétrons deveriam se mover da clorofila para a feofitina e, em seguida, para a plastoquinona ao longo de ambos os ramos.
No entanto, experimentos têm consistentemente mostrado que os elétrons se movem apenas através do ramo D1 — uma descoberta que tem perplexado cientistas por anos. “Apesar da simetria estrutural entre os ramos de proteína D1 e D2 no PSII, apenas o ramo D1 é funcionalmente ativo”, explica Aditya Kumar Mandal, primeiro autor do estudo e estudante de doutorado no Departamento de Física do IISc.
Para investigar esse desequilíbrio, a equipe combinou simulações de dinâmica molecular, análises mecânicas quânticas e a teoria de Marcus (um modelo premiado com o Nobel que descreve como os elétrons são transferidos) para mapear os padrões de energia em ambos os caminhos. “Avaliadamos a eficiência de transferência de elétrons passo a passo através dos ramos D1 e D2”, diz Shubham Basera, estudante de doutorado no Departamento de Física e um dos autores.
A equipe descobriu que o ramo D2 tem uma barreira de energia muito mais alta, o que torna o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a transferência de elétrons da feofitina para a plastoquinona em D2 requer o dobro da energia de ativação em comparação com D1 — uma barreira que os elétrons parecem incapazes de superar, impedindo o fluxo de energia.
Os pesquisadores também simularam as características corrente-tensão de ambos os ramos e descobriram que a resistência ao movimento de elétrons no D2 era duas ordens de magnitude maior do que no D1.
A assimetria no fluxo de elétrons também pode ser influenciada por sutis diferenças no ambiente da proteína ao redor do PSII e na forma como os pigmentos estão incorporados a ele, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o pigmento de clorofila em D1 possui um estado de excitação a uma energia mais baixa do que seu equivalente em D2, sugerindo que o pigmento D1 tem uma maior chance de atrair e transferir elétrons.
Os pesquisadores também sugerem que alterar alguns desses componentes pode aumentar ou reorganizar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, trocar a clorofila e a feofitina no D2 poderia superar o bloqueio de elétrons, uma vez que a clorofila requer menos energia de ativação do que a feofitina.
“Nossa pesquisa representa um avanço significativo na compreensão da fotossíntese natural”, afirma Prabal K Maiti, professor do Departamento de Física e um dos autores correspondentes do estudo. “Essas descobertas podem ajudar a projetar sistemas fotossintéticos artificiais eficientes capazes de converter energia solar em combustíveis químicos, contribuindo para soluções inovadoras e sustentáveis de energia renovável.”
Este é uma bela combinação de teoria em vários níveis para abordar um problema de longa data, culminando em um novo nível de entendimento, mas ainda deixando mistérios a serem desafiados, diz Bill Goddard, professor do Caltech e um dos autores correspondentes.
