La luz del Sol absorbida por la bacterioclorofila (verde) en la proteína FMO (gris) genera un movimiento ondulatorio de energía de excitación cuyas propiedades mecánico cuánticas pueden cartografiarse usando un espectroscopio bidimensional. (Imagen cortesía de Greg Engel, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, División de Biociencias Físicas)

A través de la fotosíntesis, las plantas verdes y las cianobacterias son capaces de transferir la energía de la luz solar a los centros de reacciones moleculares para su conversión en energía química con una eficacia del casi el 100%. La velocidad es la clave – la transferencia de la energía solar tiene lugar de forma casi instantánea por lo que poquísima energía se pierde en forma de calor. Cómo consigue la fotosíntesis esta transferencia de energía casi instantánea ha sido un misterio desde hace tiempo que por fin ha sido resuelto.

Un estudio liderado por investigadores del Departamento de Energía de los Estados Unidos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) en Berkeley informa de que la respuesta recae en los efectos mecánico cuánticos. Los resultados del estudio se han presentado en el número del 12 de abril de 2007 de la revista Nature.

“Hemos obtenido la primera prueba directa de que el notable tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un papel importante en los procesos de transferencia de energía durante la fotosíntesis”, dijo Graham Fleming, investigador principal del estudio. “Estas características ondulatorias pueden explicar la eficacia extrema de la transferencia de energía debido a que permite al sistema comprobar todos los potenciales caminos de energía y escoger el más eficiente”.

Fleming es el Subdirector del Berkeley Lab, profesor de química en la UC Berkeley, y un líder mundialmente reconocido en estudios espectroscópicos de los procesos de fotosíntesis. En un artículo titulado, Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems (Pruebas de transferencia de energía ondulatoria a través de la coherencia cuántica en sistemas fotosintéticos), él y sus colaboradores informan de la detección de la señal de un “latido cuántico”, oscilaciones electrónicas coherentes en moléculas aceptadoras y donadoras, generadas por excitaciones energéticas inducidas por la luz, como las ondas que se forman al arrojar una piedra a un estanque.

Las medidas de espectroscopía electrónica realizadas a una escala de tiempo de femtosegundos (la mil billonésima parte de un segundo) mostró estas oscilaciones encontrándose e interfiriendo de forma constructiva, formando movimientos ondulatorios de energía (estados de superposición) que pueden explorar todos los posibles caminos de energía de forma simultánea y reversible, lo que significa que pueden volverse atrás de caminos incorrectos sin penalización. Estos hallazgos contradicen la descripción clásica de los procesos de transferencia de energía fotosintética como aquellos en los que los saltos energéticos de la excitación de las moléculas pigmentadas que capturan la luz para las moléculas de los centros de reacción bajando paso a paso la escala de energía molecular.

“La descripción de salto clásica de los procesos de transferencia de energía es tanto inadecuada como imprecisa”, dijo Fleming. “Nos da una imagen incorrecta de cómo funciona en realidad el proceso, y pierde un aspecto crucial de la razón de esta maravillosa eficiencia”.

Espectroscopía electrónica 2-D desarrollada en el grupo de investigación de Graham Fleming en el Berkeley Lab permite a los científicos seguir el flujo de la energía de excitación inducida por la luz a través de los complejos moleculares con una resolución temporal de femtosegundos. En este espectro electrónico 2-D, la amplitud de la señal del latido cuántico para un excitón está dibujado contra el tiempo de población. La línea negra cubre la amplitud del pico de un excitón. La concordancia de los datos experimentales con la teoría demuestra que es correcta.

Como coautor del artículo de Nature junto a Fleming está Gregory Engel, que fue el primer autor, Tessa Calhoun, Elizabeth Read, Tae-Kyu Ahn, Tomáš Man?al y Yuan-Chung Cheng, todos ellos se coordinaron con la División de Biociencias Físicas del Berkeley Lab y el Departamento de Química dela UC Berkeley durante el tiempo del estudio, además de Robert Blankenship, de la Universidad de Washington en St. Louis.

La técnica fotosintética para transferencia de energía de un sistema molecular a otro debería encontrarse en alguna breve lista de espectaculares éxitos de la Madre Naturaleza. Si pudiésemos aprender lo suficiente para emular este proceso, podríamos ser capaces de crear una versión artificial de la fotosíntesis que nos ayudaría en la explotación efectiva del Sol como una fuente de energía limpia, eficiente, sostenible y sin emisiones de carbono.

Encaminados hacia este fin, Fleming y su grupo de investigación han desarrollado una técnica llamada espectroscopía electrónica bidimensional que les permite seguir el flujo de la excitación inducida por la luz a través de los complejos moleculares con una resolución temporal de femtosegundos. La técnica involucra proyectar en secuencia una muestra de pulsos de luz a partir de tres rayos láser. Un cuarto rayo se usa como oscilador local para amplificar y detectar las señales espectroscópicas resultantes cuando la energía de excitación de las luces del láser es transferida de una molécula a la siguiente. (La energía de excitación cambia la forma en que cada molécula absorbe y emite luz.

Graham Fleming es Subdirecto del Berkeley Lab, Distinguido Profesor Melvin Calvin de Química en la UC Berkeley, y codirector del Instituto California para Investigación Biomédica Cuantitativa (QB3). También es una autoridad en estudios espectroscópicos de fotosíntesis. (Fotografía por Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office.)

Fleming ha comparado la espectroscopía electrónica 2-D a la técnica usada en las primeras radios superheterodinas, cuando una señal entrante de radio de alta frecuencia era convertida por un oscilador a una frecuencia menor para una amplificación más controlable y con una mejor recepción. En el caso de la espectroscopía electrónica 2-D, los científicos pueden rastrear la transferencia de energía entre las moléculas que están acopladas (conectadas) a través de sus estados electrónicos y de vibración en cualquier sistema fotoactivo, de ensamblaje macromolecular o nanostructura.

Fleming y su grupo describieron por primera vez la espectroscopía electrónica 2-D en un artículo de 2005 en Nature, cuando usaron la técnica para observar el acoplamiento electrónico en la proteína que recoge la luz fotosintética Fenna-Matthews-Olson (FMO) , un complejo molecular en las bacterias verdes del azufre.

Engel dijo, “El artículo de 2005 fue la primera aplicación biológica de esta técnica, ahora hemos usado la espectroscopia electrónica 2-D para descubrir un nuevo fenómenos en los sistemas fotosintéticos. Aunque la posibilidad de que la energía fotosintética pudiese involucrar oscilaciones cuánticas se sugirió por primera vez hace más de 70 años, el movimiento ondulatorio de la energía de excitación nunca había sido observado hasta ahora”.

Como en el artículo de 2005, la proteína FMO fue de nuevo el objetivo. FMO está considerado un sistema modelo para el estudio de transferencia de energía fotosintética debido a que consta de sólo siete moléculas de pigmento y su química ha sido bien caracterizada.

“Para observar los latidos cuánticos, tomamos los espectros 2-D en 33 tiempos de población, con rangos entre los 0 y 660 femtosegundos”, dijo Engel. “En estos espectros, el excitón de menor energía (un par agujero-electrón vinculado que se forma cuando un fotón entrante empuja a un electrón fuera de su banda de energía de valencia hacia la banda de conducción) da lugar a un pico diagonal de cerca de 825 nanómetros que oscila claramente. La amplitud asociada al cross-peak también parece oscilar. De forma sorprendente, este latido cuántico duró todos los 660 femtosegundos”.

Engel dijo que la duración de la señal del latido cuántico fue inesperada debido a que la suposición científica general había sudo que las coherencias electrónicas responsables de tal oscilación eran destruidas rápidamente.

Miembros del grupo de investigación de Fleming quienes contribuyeron a este estudio (empezado por la izquierda) Greg Engel (primer autor del artículo de Nature), Tessa Calhoun, Tae-Kyu Ahn, Elizabeth Read y Yuan-Chung Cheng. (Fotografía por Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office.)

“Por esta razón, la transferencia de coherencia electrónica entre excitones durante la relajación habitualmente ha sido ignorada”, dijo Engel. “Al demostrar que los procesos de transferencia de energía involucran coherencia electrónica y que esta coherencia es mucho más fuerte de lo que hubiésemos esperado, hemos demostrado que el proceso puede ser mucho más eficiente de lo que podría explicar una visión clásica. Sin embargo, aún no sabemos el grado de beneficios fotosintéticos de estos efectos cuánticos”.

Engel dijo que uno de los siguientes pasos en el grupo de investigación de Fleming en esta línea será mirar los efectos de los cambios de temperatura en los procesos de transferencia de energía. Los resultados de este último artículo de Nature se obtuvieron de complejos FMO mantenidos a 77 Kelvin. El grupo también observará anchos de banda más amplios de energía usando distintos colores de pulsos de luz para registrar todo lo que tiene lugar, no sólo las transferencias de energía. Finalmente, la idea es conseguir mucho más conocimiento sobre cómo la Naturaleza no sólo transfiere energía de un sistema molecular a otro, sino también cómo convertirlo en formas útiles.

“La Naturaleza ha tenido aproximadamente 2700 millones de años para perfeccionar la fotosíntesis, por lo que hay enormes lecciones que nos quedan por aprender”, dijo Engel. “Los resultados de los que hemos informado en este último artículo, no obstante, al menos nos dan una nueva forma de pensar en el diseño de futuros sistemas fotosintéticos artificiales”.

Esta investigación fue financiada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y por el Instituto Miller para Investigación Básica en Ciencias.

El Berkeley Lab es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos situado en, California. Lleva a cabo investigaciones científicas desclasificadas y está gestionado por la Universidad de California. Visite nuestro sitio web en http://www.lbl.gov.

Información adicional

Para más información sobre el artículo de Nature, contacte con Greg Engel en GSEngel@lbl.gov

Para más información sobre la investigación de Graham Fleming, visite su sitio web en: http://www.cchem.berkeley.edu/~grfgrp/

Fecha Original: 12 de abril de 2007
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