Nuevos hallazgos sobre la conversión de energía durante la fotosíntesis
Notable e inesperado conocimiento del funcionamiento del sistema biológico: Los cálculos químicos cuánticos iluminan los estados excitados de las moléculas de clorofila
El sol sostiene toda la vida en la tierra a través de la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas y otros organismos convierten la energía de la luz solar en energía química, almacenada en los enlaces de las moléculas orgánicas. Un desafío central de la ciencia moderna es replicar este proceso usando catalizadores sintéticos, y así producir combustibles solares por medio de la fotosíntesis artificial. Entender cómo la naturaleza logra la conversión de la luz solar en energía química es esencial para guiar e inspirar soluciones tecnológicas. Sin embargo, aunque se ha sabido mucho sobre las enzimas que realizan esta asombrosa hazaña (llamadas fotosistemas) y sobre sus importantes componentes (moléculas de clorofila), los detalles de cómo la energía de la luz solar se convierte en el flujo de electrones que alimenta las reacciones químicas han permanecido envueltos en el misterio. Ahora, un nuevo e innovador estudio realizado por investigadores del Departamento de Teoría Molecular y Espectroscopia proporciona una notable e inesperada comprensión del funcionamiento del sistema biológico.
Conversión de energía en Photosystem-II
Dr. Dimitrios Pantazis, MPI für Kohlenforschung
Utilizando métodos de simulación a múltiples escalas y cálculos químicos cuánticos de última generación, el Dr. Dimitrios Pantazis y su grupo investigaron las propiedades de estado excitado de las moléculas de clorofila contenidas en la enzima Photosystem-II. Su estudio logró identificar por primera vez el par específico de cofactores redox-activos, una molécula de clorofila y una de feofitina, responsables de convertir la energía de excitación de la luz solar en un estado excitado de transferencia de carga, precursor de todas las transformaciones químicas subsiguientes. Además, el estudio demostró que el comportamiento especial de clorofilas específicas y la direccionalidad de la separación de la carga no son el resultado de propiedades intrínsecas o de la disposición espacial de los cromóforos, como se pensaba anteriormente, sino que surgen y son controlados exclusivamente por el campo electrostático de la proteína circundante.
Estos descubrimientos tienen implicaciones fundamentales no sólo para la comprensión del sistema biológico sino también para el diseño de mímicas sintéticas. Demuestran que la matriz en la que están incrustados los cromóforos sensibles a la luz puede ser funcionalmente más importante que los propios cromóforos, causando un comportamiento emergente de transferencia de carga y direccionalidad dentro del sistema combinado que está más allá y por encima de las propiedades y capacidades intrínsecas de sus componentes individuales.
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