Pense em um trem descendo os trilhos até um ponto de troca onde pode ir para a direita ou para a esquerda - e sempre vai para a direita.

Organismos fotossintéticos têm um ponto de troca semelhante. Depois que a luz solar é absorvida, a energia é transferida rapidamente para uma proteína chamada centro de reação. Deste ponto, os elétrons podem se mover para um conjunto de moléculas de ramificação A (ou "trilha certa"), ou a um conjunto de ramificação B ("faixa esquerda") de moléculas idênticas.

Uma nova pesquisa da Washington University em St. Louis e do Argonne National Laboratory persuade os elétrons no caminho que eles normalmente não viajam - avançando a compreensão dos primeiros eventos da fotossíntese movidos pela luz. As descobertas foram publicadas em 31 de dezembro no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )

"No centro de reação bacteriana, um elétron vai para o ramo A das moléculas 100% do tempo. Fizemos isso ir para as moléculas do ramo B 90% das vezes, "disse Christine Kirmaier, professor pesquisador de química em artes e ciências.

"Afinal, se você acha que entende como o trem e os trilhos funcionam, por que você não deveria ser capaz de fazer o trem ir para a esquerda em vez de para a direita? Isso é essencialmente o que fizemos, "Kirmaier disse.

"Por que duas trilhas evoluíram ainda é uma questão em aberto, mas a capacidade de controlar qual faixa é utilizada é empolgante, "disse Philip D. Laible, um biofísico na divisão de biociências no Argonne National Laboratory e outro autor principal do artigo.

"Gostaríamos de tornar a troca entre eles um fenômeno mais bem compreendido para que pudéssemos conduzir prontamente os elétrons (desculpe o trocadilho) para qualquer destino em um processo biológico, "ele disse." Agora mesmo, estamos controlando recursos que permitem que os elétrons atravessem uma membrana biológica - o primeiro passo para produzir energia a partir da luz do sol neste organismo. "

Reengenharia de um caminho

Plantas, algas e bactérias fotossintéticas convertem a energia da luz solar em unidades separadas por carga que usam para alimentar os processos vitais na Terra. E eles fazem isso de uma forma muito específica:os centros de reação nesses organismos apresentam dois arranjos semelhantes a imagens de espelho de proteínas e cofatores de pigmento, os lados A e B. Apenas uma dessas cadeias está ativa - o lado A - enquanto o lado B está em silêncio.

Kirmaier, com o colaborador Dewey Holten, professor de química na Washington University, e a equipe do Laboratório Nacional de Argonne projetou muitas iterações de mutantes fotossintéticos com o objetivo de alcançar a separação de carga usando o ramo B em vez disso. A nova pesquisa reengenharia um caminho em uma bactéria fotossintética roxa, uma das células solares da natureza.

"Usando biologia molecular, temos mudado os aminoácidos ao redor dos pigmentos para tentar encontrar a combinação mágica para fazer o ramo B funcionar, " ela disse.

O jogo era fazer mudanças estruturais que desafinam, ou torná-lo menos ideal, transferências de elétrons ao longo do lado A ou caminho normal - e então, ao mesmo tempo, acelere as reações ao longo do lado B.

Os pesquisadores foram capazes de intensificar esse processo de tentativa e erro testando todos os aminoácidos possíveis em um local-alvo específico no lado A ou B, encontrar um ou mais que melhoram o rendimento do lado B. Eles então carregaram aquele "hit" para frente no fundo mutante para sondar o próximo local de destino, e assim por diante.

"Foi inesperado, "Kirmaier disse." Escolhemos um local, e em uma de nossas melhores origens mutantes, colocou todos os 20 aminoácidos lá - e um deles nos deu um rendimento de 90%. "

"Esta é uma conquista revolucionária e algo que [todos no] campo têm tentado ativamente descobrir por décadas - desde que colocamos os olhos nas duas trilhas em um estudo estrutural de alto perfil na Nature há quase 35 anos, "disse Deborah K. Hanson da divisão de biociências, Laboratório Nacional de Argonne, outro autor principal do PNAS papel.

Repensando a história da fotossíntese

O novo trabalho ilumina os princípios básicos da função da estrutura que governam a eficiência, transferência de elétrons induzida pela luz.

Este conhecimento pode auxiliar no projeto de sistemas biohíbridos e bioinspirados para conversão e armazenamento de energia, disseram os pesquisadores. As descobertas também provocarão experimentos e análises adicionais.

"Os resultados levantam muitas questões sobre o que é necessário para obter a separação unidirecional de carga, "Holten disse.

Na natureza, a bactéria roxa faz a separação inicial da carga com um processo de duas etapas que ocorre em vários trilionésimos de segundo. Mas a nova solução de filial B da equipe obtém quase o mesmo rendimento, embora use um processo tandem de uma etapa que leva de 5 a 10 vezes mais tempo.

"Na história original da fotossíntese, talvez essa combinação de processos rápidos de duas etapas e mais lentos de uma etapa deu um rendimento de 80 ou 90% - e então, hora extra, é otimizado, "Holten disse.