La mayoría de la vida en la Tierra se basa en este complejo mecanismo que desarrollan plantas, algas y cianobacterias y que permite almacenar la energía del sol, fijar el carbono y generar grandes cantidades de oxígeno. Pero a pesar de que conocemos muchos detalles del proceso, existen algunos aspectos que siguen siendo un pequeño misterio. En un trabajo publicado este lunes en la revista Nature, un equipo internacional de científicos ha utilizado una sofisticada técnica de pulsos ultrarrápidos de láser y rayos X para conocer lo que conoce en una proteína llamada fotosistema II y que usa la energía del Sol para dividir el agua y crear oxígeno.
El equipo ha utilizado las instalaciones del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley, del Departamento de Energía de Estados Unidos, para generar los pulsos de láser necesarios para el experimento. Los autores colocaron una serie de microcristales del complejo fotosistema II y los colocó en una especie de cinta transportadora donde primero eran iluminados por un pulso de láser verde, para dar comienzo al proceso, y después se radiografiaban con un sistema de pulsos de rayos X ultrarrápidos basado en técnicas de cristalografía.
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El proceso es pionero y revelador porque permite estudiar la proteína a temperatura ambiente y supera la dificultad de las otras técnicas de imagen que, al observar procesos tan pequeños, destruían las muestras sin poder obtener la información que buscaban. En este caso, el láser golpea la muestra pero el sistema de rayos X capta el cambio sucedido en la proteína, y para tener una visión global acumula la información de cientos de miles de proteínas a las que se somete al proceso. "La belleza del LCLS [Linac Coherent Light Source] es que los pulsos de láser son muy cortos - solo 40 femtosegundos de duración - y tan intensos que puedes recoger los datos antes de que la muestra se destruya", asegura Jan Kern, miembro del equipo de Berkeley que ha hecho las pruebas. Para hacerse una idea, el femtosegundo es la cuadrillonésima parte de un segundo. En comparación, el femtosegundo es a un segundo lo mismo que un segundo a un periodo de 30 millones de años.
“Los pulsos son tan rápidos e intensos que puedes recoger los datos antes de que la muestra se destruya”
Lo que se proponen observar es el proceso por el que una molécula de agua se rompe y pasa a formar oxígeno y en qué lugares de la proteína sucede. Para conocerlo, han tenido que utilizar amoníaco como marcador, de modo que en aquellas partes de la estructura donde detectaban este compuesto descartaban la presencia de agua. Lo interesante es que los resultados indican que aún no conocemos bien qué sucede, pues las moléculas de agua no están donde deberían. "Para nuestra sorpresa, descubrimos que dos de las principales teoría para explicar cómo se produce la reacción no son correctas", asegura Vittal Yachandra, otro de los autores. "Si las teorías fueran correctas, habrías visto el agua sujetarse a determinados sitios y otros desarrollos predichos en la proteína, Esto significa que algo más está corriendo, así que nos estamos centrando en encontrar la respuesta correcta por un proceso de eliminación".
Los autores están convencidos de que cuando desentrañen este proceso podrán aprender a desarrollar dispositivos que puedan obtener hidrógeno de manera limpia a partir de energía solar y agua, de la misma manera en que las plantas producen biomasa, lo cual sería una esperanza para combatir el cambio climático.
Referencia: Structure of photosystem II and substrate binding at room temperature (Nature) DOI: 10.1038/nature20161
