A fotossíntese requer um mecanismo para produzir grandes quantidades de energia química sem perder o poder oxidativo necessário para quebrar a água. Uma equipe de pesquisa japonesa esclareceu parte deste mecanismo, marcando mais um passo para o desenvolvimento potencial da fotossíntese artificial. Os resultados foram publicados em 27 de fevereiro na edição online do Journal of Physical Chemistry Letters .

A equipe foi liderada pelo professor KOBORI Yasuhiro (Centro de Pesquisa em Fotociência Molecular da Universidade de Kobe) e pelo aluno de doutorado HASEGAWA Masashi (Escola de Graduação em Ciências) com o Professor Associado MINO Hiroyuki (Escola de Ciências da Universidade de Nagoya).

Durante a reação de divisão da água na fotossíntese, as plantas produzem oxigênio convertendo a energia solar em energia química, fornecendo a fonte de energia necessária para sua sobrevivência. Essa reação é realizada por um complexo de proteínas nos cloroplastos (localizado nas folhas), denominado complexo do fotossistema II (ver figura 1).

Em 2015, a equipe de pesquisa do professor Kobori conseguiu analisar as interações eletrônicas e a colocação tridimensional da separação de carga inicial produzida diretamente após a fotorreação no centro de reação fotossintética de bactérias roxas, que não causam o potencial de oxidação para divisão da água. Contudo, no complexo do fotossistema II para plantas superiores, a configuração do estado inicial de separação de carga não estava clara, e era um mistério como isso levou a uma reação eficaz de divisão da água, mantendo o alto poder oxidativo.

Os cientistas extraíram membranas tilacóides (onde a fotorreação ocorre na fotossíntese) do espinafre, adicionado um agente redutor, e irradiou as amostras. Isso permitiu que eles detectassem sinais de micro-ondas do estado inicial de separação de carga com um grau de precisão de 10 milionésimos de segundo (veja a figura 3a). Eles desenvolveram um método para analisar os sinais de microondas usando imagens de polarização de spin. Pela primeira vez foi possível realizar uma análise de visão 3-D da configuração da carga elétrica produzida diretamente após a exposição à luz como um intermediário reativo. Isso foi feito com uma precisão de 10 milionésimos de segundo, como fotografia consecutiva (ver figura 3b). Com base nesta visualização, eles também quantificaram a interação eletrônica que ocorre quando as órbitas de elétrons se sobrepõem para moléculas com cargas elétricas (figura 3c).

A estrutura inicial de separação de carga elétrica esclarecida por esta análise não era muito diferente da estrutura antes da reação, mas a análise de imagem mostrou que a carga elétrica positiva que ocorreu no pigmento como um intermediário reativo existia desproporcionalmente nas moléculas individuais de clorofila (figura 3b, c). Isso sugere que há uma forte estabilização causada pela interação eletrostática entre as cargas.

Foi revelado que o retorno da carga negativa é suprimido, uma vez que a sobreposição entre as órbitas de elétrons é muito limitada pelo efeito isolante do terminal do grupo vinil. Isso significa que se torna possível usar o alto poder oxidante da carga positiva da clorofila (PD1) para a decomposição oxidativa subsequente da água.

Com base nessas descobertas, os pesquisadores desbloquearam parte do mecanismo para produzir efetivamente grandes quantidades de energia química sem perda do poder oxidativo necessário para dividir a água na fotossíntese. Essas descobertas podem ajudar a projetar um "sistema de fotossíntese artificial" que pode fornecer uma fonte de energia limpa, convertendo de forma eficiente a energia solar em grandes quantidades de eletricidade e hidrogênio. A aplicação deste princípio pode contribuir para a resolução de problemas com energia, o meio ambiente e a escassez de alimentos.