Es ampliamente conocido que las plantas realizan la fotosíntesis, tan conocido que se estudia en primaria. Sin embargo, el mecanismo completo tras esta función tan fundamental para la vida como la conocemos aún no es del todo conocido.

La fotosíntesis requiere que ese mecanismo produzca grandes cantidades de energía química sin perder la capacidad oxidativa que hace falta para romper las moléculas de agua. Ahora, un equipo de investigadores encabezado por Masashi Hasegawa, de la Universidad de Kobe (Japón), ha puesto en claro parte de ese mecanismo, lo que constituye otro paso, no solo para la comprensión de la fotosíntesis de las plantas verdes, sino también en el desarrollo de una fotosíntesis artificial. La fotosíntesis artificial no solo eliminaría dióxido de carbono de la atmósfera, también produciría energía química a bajo coste, algo que puede resultar crítico para combatir el cambio climático.

Durante la fase de rotura del agua de la fotosíntesis las plantas producen oxígeno convirtiendo la energía solar en energía química, lo que aporta a la planta la energía que necesita para su supervivencia. Esta reacción química tiene lugar en un complejo proteínico que se encuentra en los cloroplastos, unos orgánulos presentes en las hojas, que se llama fotosistema II y que es rico en clorofila b.

Este mismo grupo de investigadores consiguió en 2015 analizar las interacciones electrónicas y la localización en 3 dimensiones de la separación de cargas eléctricas que se produce justo después de la foto-reacción en el centro de reacción fotosintético de una bacteria púrpura, pero que no produce el potencial de oxidación necesario para romper una molécula de agua (fotólisis del agua). Sin embargo, en el fotosistema II de las plantas superiores, la configuración de la separación de cargas inicial es algo que no estaba nada claro. De hecho, era un misterio cómo podía producir la rotura efectiva de la molécula de agua a la vez que conservaba una alta capacidad oxidativa.

La metodología desarrollada por los investigadores les ha permitido por primera vez llevar a cabo un análisis visual en 3D de la configuración de la carga eléctrica producida justo después de la exposición a la luz. La precisión obtenida fue inferior a la diezmillonésima de segundo entre una imagen y la siguiente.

Basándose en estas imágenes los investigadores han podido cuantificar la interacción electrónica que tiene lugar cuando los orbitales electrónicos de diferentes moléculas del fotosistema ocupan el mismo espacio y, por tanto lo fácil que pueda ser la neutralización de cargas. La superposición de orbitales ha resultado estar muy limitada por el efecto aislante de los grupos vinilo terminales. Esto posibilita que la gran capacidad oxidativa de la carga positiva de la clorofila se mantenga y pueda ser usada en la descomposición del agua.

De esta forma se tiene un mecanismo que es capaz de producir eficazmente energía química sin perder la capacidad oxidativa. La comprobación de este mecanismo y el uso de la metodología desarrollada facilitaría el acceso en unos años a nuevas fuentes de energía verdaderamente limpias y eficientes que podrían usarse para el transporte y la industria, algo, como hemos dicho, crítico para combatir el cambio climático.

Referencia:

Masashi Hasegawa et al (2017) Regulated Electron Tunneling of Photoinduced Primary Charge-Separated State in the Photosystem II Reaction Center J. Phys. Chem. Lett., 8 (6), pp 1179–1184 doi: 10.1021/acs.jpclett.7b00044

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next