Apesar de seu papel na formação da vida como a conhecemos, muitos aspectos da fotossíntese permanecem um mistério. Uma colaboração internacional entre cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory, O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e várias outras instituições estão trabalhando para mudar isso. Os pesquisadores usaram o laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC para capturar a imagem mais completa e de mais alta resolução do Photosystem II, um complexo de proteína chave nas plantas, algas e cianobactérias responsáveis ​​por dividir a água e produzir o oxigênio que respiramos. Os resultados foram publicados em Natureza hoje.

Explosão de vida

Quando a Terra se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos, a paisagem do planeta era quase nada parecida com o que é hoje. Junko Yano, um dos autores do estudo e um cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory, descreve-o como "infernal". Meteoros chiaram através de uma atmosfera rica em dióxido de carbono e vulcões inundaram a superfície com mares magmáticos.

Nos próximos 2,5 bilhões de anos, o vapor de água que se acumulava no ar começou a chover e formar oceanos onde a primeira vida apareceu na forma de organismos unicelulares. Mas não foi até que uma dessas partículas de vida sofreu uma mutação e desenvolveu a capacidade de aproveitar a luz do sol e transformá-la em energia, liberando moléculas de oxigênio da água no processo, que a Terra começou a evoluir para o planeta que é hoje. Este processo, fotossíntese oxigenada, é considerada uma das joias da coroa da natureza e permaneceu relativamente inalterada nos mais de 2 bilhões de anos desde seu surgimento.

"Essa única reação nos fez como somos, como o mundo. Molécula por molécula, o planeta foi enriquecido lentamente até, cerca de 540 milhões de anos atrás, explodiu com vida, "disse o co-autor Uwe Bergmann, um distinto cientista da equipe do SLAC. "Quando se trata de perguntas sobre de onde viemos, este é um dos maiores. "

Um futuro mais verde

O fotossistema II é o burro de carga responsável por usar a luz do sol para quebrar a água em seus componentes atômicos, desbloquear o hidrogênio e o oxigênio. Até recentemente, só havia sido possível medir pedaços desse processo em temperaturas extremamente baixas. Em um artigo anterior, os pesquisadores usaram um novo método para observar duas etapas desse ciclo de divisão da água na temperatura em que ocorre na natureza.

Agora, a equipe imaginou todos os quatro estados intermediários do processo em temperatura natural e o melhor nível de detalhes até então. Eles também capturaram, pela primeira vez, momentos de transição entre dois dos estados, dando-lhes uma sequência de seis imagens do processo.

O objetivo do projeto, disse o co-autor Jan Kern, um cientista do Berkeley Lab, é montar um filme atômico usando muitos quadros de todo o processo, incluindo o indescritível estado transiente no final que une átomos de oxigênio de duas moléculas de água para produzir moléculas de oxigênio.

"Estudar este sistema nos dá a oportunidade de ver como metais e proteínas trabalham juntos e como a luz controla esses tipos de reações, "disse Vittal Yachandra, um dos autores do estudo e um cientista sênior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que trabalha no Photosystem II há mais de 35 anos. “Além de abrir uma janela para o passado, uma melhor compreensão do Photosystem II pode abrir a porta para um futuro mais verde, fornecendo-nos inspiração para sistemas fotossintéticos artificiais que produzem energia limpa e renovável a partir da luz solar e da água. "

Linha de montagem de amostra

Para seus experimentos, os pesquisadores cultivam o que Kern descreveu como uma "lama verde espessa" de cianobactérias - os mesmos organismos antigos que desenvolveram a capacidade de fotossintetizar - em um grande tanque constantemente iluminado. Eles então colhem as células para suas amostras.

Na LCLS, as amostras são eletrocutadas com pulsos ultrarrápidos de raios-X para coletar dados de cristalografia e espectroscopia de raios-X para mapear como os elétrons fluem no complexo de evolução de oxigênio do fotossistema II. Na cristalografia, os pesquisadores usam a maneira como uma amostra de cristal espalha os raios X para mapear sua estrutura; em espectroscopia, eles excitam os átomos em um material para descobrir informações sobre sua química. Esta abordagem, combinado com um novo sistema de transporte de amostra de linha de montagem, permitiu aos pesquisadores restringir os mecanismos propostos apresentados pela comunidade de pesquisa ao longo dos anos.

Mapeando o processo

Anteriormente, os pesquisadores foram capazes de determinar a estrutura da temperatura ambiente de dois dos estados com uma resolução de 2,25 angstroms; um angstrom tem aproximadamente o diâmetro de um átomo de hidrogênio. Isso permitiu que eles vissem a posição dos átomos de metais pesados, mas deixou algumas dúvidas sobre as posições exatas dos átomos mais leves, como oxigênio. Nesse artigo, eles foram capazes de melhorar a resolução ainda mais, a 2 angstroms, o que lhes permitiu começar a ver a posição dos átomos mais claros com mais clareza, bem como desenhar um mapa mais detalhado da estrutura química do centro catalítico do metal no complexo onde a água é dividida.

Este centro, chamado de complexo de evolução de oxigênio, é um aglomerado de quatro átomos de manganês e um átomo de cálcio em ponte com átomos de oxigênio. Ele percorre os quatro estados de oxidação estáveis, S0-S3, quando exposto à luz solar. Em um campo de beisebol, S0 seria o início do jogo quando um jogador na base estivesse pronto para rebater. S1-S3 seriam os jogadores em primeiro lugar, segundo, e terceiro. Cada vez que um rebatedor acerta uma bola, ou o complexo absorve um fóton de luz solar, o jogador em campo avança uma base. Quando a quarta bola é atingida, o jogador desliza para dentro de casa, marcar uma corrida ou, no caso do Photosystem II, liberando oxigênio respirável.

Os pesquisadores conseguiram tirar fotos de ação de como a estrutura do complexo se transformou em cada base, o que não teria sido possível sem sua técnica. Um segundo conjunto de dados permitiu mapear a posição exata do sistema em cada imagem, confirmando que eles tinham, de fato, imaginado os estados que almejavam.

Deslizando para casa

Mas há muitas outras coisas acontecendo ao longo desse processo, bem como momentos entre estados quando o jogador está fazendo uma pausa para a próxima base, que são um pouco mais difíceis de detectar. Um dos aspectos mais significativos deste artigo, Yano disse, é que eles foram capazes de imaginar dois momentos entre S2 e S3. Nos próximos experimentos, os pesquisadores esperam usar a mesma técnica para obter mais imagens desses estados intermediários, incluindo a corrida louca para casa - o estado transitório, ou S4, onde dois átomos de oxigênio se unem - fornecendo informações sobre a química da reação que é vital para imitar esse processo em sistemas artificiais.

"Todo o ciclo leva quase dois milissegundos para ser concluído, "Kern disse." Nosso sonho é capturar 50 etapas de microssegundos em todo o ciclo, cada um deles com a maior resolução possível, para criar este filme atômico de todo o processo. "

Embora ainda tenham um longo caminho a percorrer, os pesquisadores disseram que esses resultados fornecem um caminho a seguir, tanto para desvendar os mistérios de como funciona a fotossíntese, e na oferta de um projeto para fontes artificiais de energia renovável.

"Tem sido um processo de aprendizagem, "disse o cientista e co-autor do SLAC Roberto Alonso-Mori." Nos últimos sete anos, trabalhamos com nossos colaboradores para reinventar os principais aspectos de nossas técnicas. Estamos eliminando essa questão lentamente e esses resultados são um grande passo à frente. "