Desvende os segredos da fotossíntese

Um experimento de ponta revelou a dinâmica quântica subjacente a um dos processos mais importantes da natureza.

Usando um complexo de pigmentos minerais, proteínas, enzimas e coenzimas, os organismos fotossintéticos podem converter a energia da luz na energia química da vida. Um estudo publicado recentemente em natureza Foi agora revelado que este processo químico natural é sensível à menor quantidade possível de luz – uma Fóton.

Esta descoberta melhora nossa compreensão atual dos organismos vivos Fotossíntese Ajudará a responder a questões sobre como a vida funciona nas menores escalas, onde a física quântica e a biologia se encontram.

“Muito trabalho foi feito, tanto teórica quanto experimentalmente, em todo o mundo para tentar entender o que acontece após a absorção de fótons. Mas percebemos que ninguém estava falando sobre o primeiro passo”, disse Graham Fleming, co-autor principal, um biocientista sênior.No Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) e professor de química na Universidade da Califórnia, Berkeley: “Esta ainda era uma questão que precisava de uma resposta detalhada.”

Em seu estudo, Fleming, co-autora Birgitta Wally, cientista sênior da área de ciências energéticas do Berkeley Lab, e seus grupos de pesquisa mostram que um único fóton pode de fato iniciar a primeira etapa da fotossíntese em bacteriófagos fotogênicos. Como todos os organismos fotossintéticos utilizam processos semelhantes e partilham um ancestral evolutivo, a equipa está confiante de que a fotossíntese nas plantas e nas algas funciona da mesma forma. “A natureza inventou um truque muito inteligente”, disse Fleming.

Como os sistemas vivos usam a luz?

Com base na eficiência com que a fotossíntese converte a luz solar em moléculas ricas em energia, os cientistas há muito levantam a hipótese de que um único fóton é suficiente para iniciar uma reação, à medida que os fótons passam energia para os elétrons, que então trocam de lugar com elétrons em moléculas diferentes, o que em última análise leva à formação dos componentes primários para a produção de polissacarídeos. Afinal de contas, o Sol não fornece tantos fotões – apenas mil fotões atingem uma molécula de clorofila por segundo num dia ensolarado – e ainda assim este processo ocorre de forma fiável em todo o planeta.

No entanto, “ninguém apoiou anteriormente esta suposição com evidências”, disse o primeiro autor Quanwei Lee, um pesquisador conjunto de pós-doutorado que está desenvolvendo novas técnicas experimentais com luz quântica nos grupos Fleming e Wiley.

Para complicar as coisas, muitas pesquisas que revelaram detalhes minuciosos sobre as etapas subsequentes da fotossíntese foram conduzidas estimulando moléculas fotossintéticas com pulsos de laser ultrarrápidos e poderosos.

O co-autor principal Graham Fleming, à esquerda, e o primeiro autor Quanwye Lee perto de alguns dos equipamentos usados ​​em seu experimento de ponta. Crédito: Henry L/Fleming Lab

“Há uma enorme diferença de intensidade entre os lasers e a luz solar – um feixe de laser focado típico é um milhão de vezes mais brilhante que a luz solar”, disse Lee. Mesmo que você pudesse produzir um feixe fraco com uma intensidade igual à da luz solar, ainda assim seria muito diferente por causa das propriedades quânticas da luz chamadas estatísticas de fótons. Ele explicou que, como ninguém viu um fóton sendo absorvido, não sabemos que diferença isso faz e que tipo de fóton é. “Mas assim como precisamos compreender cada partícula para construir um computador quântico, precisamos estudar as propriedades quânticas dos sistemas vivos para realmente compreendê-los e para criar sistemas artificiais eficientes que gerem combustíveis renováveis”.

A fotossíntese, como outras reações químicas, foi primeiramente compreendida de forma agregada – o que significa que sabíamos quais eram as entradas e saídas globais e, a partir disso, podíamos inferir como eram as interações entre moléculas individuais. Nas décadas de 1970 e 1980, os avanços na tecnologia permitiram aos cientistas estudar diretamente produtos químicos individuais durante as reações. Agora, os cientistas estão começando a explorar próxima fronteirao indivíduo milhoe a escala de partículas subatômicas, utilizando técnicas mais avançadas.

Da suposição ao fato

Projetar um experimento que permitisse a observação de fótons individuais significou reunir uma equipe única de teóricos e experimentadores que combinaram ferramentas de ponta da óptica quântica e da biologia. “Era novo para quem estuda fotossíntese, porque normalmente não usa essas ferramentas, e era novo para quem se especializa em óptica quântica, porque normalmente não pensamos em aplicar essas técnicas a sistemas biológicos complexos”, disse Wally. , que esteve envolvido no estudo. Ele também é professor de Física Química na Universidade da Califórnia, Berkeley.

Os cientistas criaram uma fonte de fótons que gera um único par de fótons por meio de um processo chamado conversão paramétrica automática. Durante cada pulso, o primeiro fóton – o “arauto” – foi detectado por um detector altamente sensível, que confirmou que o segundo fóton estava a caminho da amostra coletada de estruturas moleculares absorventes de luz das bactérias fotossintéticas. Outro detector de fótons foi instalado próximo à amostra para medir o fóton de baixa energia emitido pela estrutura fotovoltaica após absorver o segundo fóton “arauto” do par original.

A estrutura de absorção de luz usada no experimento chamada LH2 foi estudada extensivamente. Sabe-se que os fótons no comprimento de onda de 800 nm são absorvidos por um anel de 9 moléculas de bacterioclorofila em LH2, passando energia para um segundo anel de 18 moléculas de bacterioclorofila que podem emitir fótons fluorescentes a 850 nm. Nas bactérias originais, a energia dos fótons continua a passar para as moléculas subsequentes até ser usada para iniciar a química da fotossíntese. Mas no experimento, quando os LH2 foram separados do restante da maquinaria celular, a detecção do fóton de 850 nanômetros serviu como o sinal final de que o processo havia sido ativado.

“Se você tiver apenas um fóton, é muito fácil perdê-lo. Essa foi a principal dificuldade deste experimento e é por isso que usamos o Photon Herald, “disse Fleming. Os cientistas analisaram mais de 17,7 bilhões de eventos de detecção do Photon Herald e 1,6 milhão eventos de detecção Fluorescência de fótons para garantir que as observações só possam ser atribuídas à absorção de um único fóton e que nenhum outro fator influencie os resultados.

“Acho que a primeira coisa é que este experimento mostrou que é possível fazer coisas com fótons individuais. Este é um ponto muito importante, “disse Wally. “A próxima coisa é: o que podemos fazer? Nosso objetivo é estudar a transferência de energia de fótons individuais através do complexo fotossintético nas escalas temporais e espaciais mais curtas possíveis.

Referência: “Absorção e emissão de fóton único do complexo fotossintético natural” por Quanwei Li, Kaydren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabines-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, Graham R. Fleming e K.. Birgitta Wally, 14 de junho de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06121-5