Descubriendo los misterios de la fotosíntesis y su funcionamiento

La fotosíntesis es una parte vital de la vida en la Tierra, ya que proporciona a las plantas los medios para fabricar su propio alimento, pero los científicos aún no saben exactamente cómo funciona. Dos nuevos experimentos han revelado un paso que faltaba en la fotosíntesis, identificando detalles hasta ahora desconocidos de cómo se rompen las moléculas de agua, una de las reacciones más difíciles.

Cuando se rompen las moléculas de agua, se libera oxígeno al aire. Ese oxígeno, "del que todos dependemos y que es esencial para todas las formas de vida superiores, es un subproducto de esta reacción", afirma el químico y coautor de uno de los estudios, Jan Kern, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de Estados Unidos. Todos los animales necesitan oxígeno para respirar, incluidos los insectos, los peces y los seres humanos, y la mayoría de las plantas también necesitan oxígeno para la respiración celular.

Kern y su equipo extrajeron de bacterias la estructura proteica que divide el agua, conocida como Fotosistema II, para estudiar su comportamiento. Bombardeando estas estructuras con láser y rayos X, pudieron tomar instantáneas del proceso a escala atómica, según se describe en la revista Nature. Otro estudio, también en Nature, utilizó las señales emitidas por el Fotosistema II al incidir sobre él luz infrarroja para estudiar los cambios durante la fotosíntesis. Estas detalladas técnicas de imagen revelaron que la división del agua tiene lugar en múltiples pasos, lo que nunca antes se había observado.

El propósito de la división de las moléculas de agua es liberar electrones, que se utilizan para alimentar el resto de la fotosíntesis. "Éste es básicamente el motor de todo el proceso", afirma Kern.

Con una mejor comprensión de cómo se producen estas complejas reacciones bioquímicas, los científicos no sólo tienen una imagen más precisa de los motores que impulsan la vida, sino que también podrían imitar la fotosíntesis para generar combustible de hidrógeno limpio.

"El sueño es sustituir los combustibles fósiles", afirma Jenny Zhang, de la Universidad de Cambridge (Inglaterra), que no participó en los estudios. "Para sustituirlos necesitamos obtener esos electrones, y el agua es la mejor fuente".

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Devoradores de agua y luz

La fotosíntesis utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcar, liberando oxígeno como producto de desecho. Evolucionó en bacterias unicelulares hace más de 2500 millones de años.

"Las consecuencias fueron, y son, enormes", afirma el biofísico Holger Dau, de la Universidad Libre de Berlín (Alemania) y coautor de uno de los nuevos estudios, porque "dio lugar a la atmósfera rica en oxígeno que tenemos hoy en la Tierra". El oxígeno es muy reactivo y proporciona mucha energía a los organismos que pueden aprovecharlo, lo que en última instancia permitió la evolución de animales grandes y activos.

Hoy en día, la fotosíntesis la realizan cianobacterias, algas verdes y plantas verdes, desde hierbas y flores silvestres hasta secuoyas gigantes. Sin embargo, a pesar de esta enorme diversidad de vida fotosintética, los detalles del proceso se han mantenido notablemente constantes. "La naturaleza dio con algo hace 3000 millones de años y lo mantuvo", afirma el biofísico Vittal Yachandra, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y coautor de uno de los nuevos estudios.

El primer paso de la fotosíntesis consiste en romper las moléculas de agua, cada una de las cuales está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Aquí es donde se libera el oxígeno residual y se aprovechan los electrones para obtener energía.

Las moléculas de agua son divididas por una gran enzima (una estructura proteica que actúa como catalizador, acelerando las reacciones bioquímicas) llamada Fotosistema II. Su nombre es un accidente histórico: actúa en primer lugar en el proceso de fotosíntesis, pero antes se descubrió otra enzima que interviene más tarde.

En el centro del Fotosistema II hay un grupo de iones, o partículas cargadas eléctricamente, concretamente de manganeso, calcio y oxígeno. Este cúmulo es el responsable de dividir las moléculas de agua y es el objeto de los nuevos estudios. "Este paso no se conoce suficientemente a nivel atómico", afirma Dau.

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Cómo se rompe el H₂O

Estudios anteriores han demostrado que la reacción de división del agua se produce por etapas. En primer lugar, una molécula de agua entra en el Fotosistema II y se une al clúster metálico. Mientras tanto, el clúster acumula energía de la luz entrante, que necesita para dividir el agua.

Para averiguar qué ocurre a continuación, Yachandra, Kern y sus colegas obtuvieron muchas copias del Fotosistema II a partir de bacterias. Las mantuvieron en la oscuridad y las sometieron a breves destellos de luz láser para impulsar las reacciones, y después las bombardearon con rayos X para obtener imágenes de cómo cambiaban sus estructuras atómicas. De este modo, pudieron tomar instantáneas del proceso de división del agua en acción.

La sorpresa fue mayúscula. "El paradigma era que la enzima se carga a sí misma... y luego la química se produce de golpe en el último paso", explica Yachandra. Pero sus datos no apoyan esta idea. "Lo que descubrimos es que el último paso no se produce de golpe. Hay pasos más pequeños".

No está claro cuáles son estos pasos intermedios. Dos moléculas de agua pueden transformarse temporalmente en un peróxido, en el que sus oxígenos se unen mediante un nuevo enlace, lo que obliga a eliminar los hidrógenos.

En el segundo estudio, Dau y sus colegas encontraron pruebas complementarias. Obtuvieron muestras del Fotosistema II de hojas frescas de espinaca y las estimularon con destellos láser. Después utilizaron espectroscopia infrarroja para seguir los cambios en el Fotosistema II, bombardeándolo con radiación infrarroja y midiendo las emisiones resultantes para ver cómo cambiaba la enzima.

El equipo realizó estas mediciones 230 000 veces. "Empezamos este experimento hace 15 años", afirma Dau.

Estos datos también sugieren que existe un paso intermedio en la reacción de división del agua. El equipo de Dau también descubrió que la reacción sólo era posible porque un electrón y cuatro protones se movían de forma coordinada, lo que revela que el Fotosistema II ejerce un control preciso incluso sobre las partículas más pequeñas de la reacción.

Los dos estudios "resolvieron el paso final de esta vía de catálisis", afirma Zhang. "Ha sido uno de los mayores interrogantes en este campo".

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Orígenes evolutivos

Aún no está claro cómo evolucionaron el Fotosistema II y la fotosíntesis en su conjunto. Lo que está claro es que el sistema de división del agua se ha mantenido prácticamente igual durante miles de millones de años. "La naturaleza sólo ha descubierto cómo hacerlo una vez", afirma Zhang. Esto puede deberse a que la reacción es especialmente compleja, ya que fuerza a las moléculas a separarse a pesar de los enlaces que las mantienen unidas.

Sólo existe un mecanismo para dividir las moléculas de agua, y requiere una enzima enormemente elaborada como el Fotosistema II, así que ¿cómo dio con él la evolución?

Parte de la respuesta es que existen otras formas más primitivas de fotosíntesis que no implican la división del agua. Estas versiones menos conocidas también utilizan energía luminosa, pero obtienen electrones de sustancias químicas distintas del agua, como el sulfuro de hidrógeno, y no liberan oxígeno.

Esta fotosíntesis "anoxigénica" es más antigua que la más conocida. "Todavía se ven muchos organismos con fotosíntesis anoxigénica", dice Kern, como las bacterias verdes del azufre, pero están confinadas a nichos pequeños.

La fotosíntesis moderna por división del agua probablemente evolucionó a partir de estos sistemas más antiguos y sencillos. "El agua es una fuente de electrones muy inteligente, porque el agua está básicamente en todas partes en la Tierra", dice Kern. Usando el agua como fuente de energía, "los organismos fotosintéticos fueron capaces de colonizar prácticamente todos los hábitats".

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Robo de electrones

La investigación de los mecanismos de la fotosíntesis natural también podría servir de base para el diseño de sistemas fotosintéticos artificiales.

Dividir el agua es crucial para fabricar "hidrógeno verde". La idea es utilizar el hidrógeno como combustible, sustituyendo a algunos combustibles fósiles. Pero para que sea realmente sostenible, el hidrógeno debe crearse dividiendo moléculas de agua. "Se trata de una reacción realmente difícil", afirma Zhang, por lo que las pistas de la naturaleza serán vitales.

Una mejor comprensión de la fotosíntesis también podría conducir a nuevas formas de generar energía a partir de las propias plantas, tomando los electrones de las células mientras realizan la reacción.

En un estudio publicado en marzo, Zhang y sus colegas demostraron que podían extraer electrones del Fotosistema II fracciones de segundo después de ser activado por la luz. "Ahora estamos empezando a ver que podemos conectar sistemas vivos, conectar organismos fotosintéticos, para robar electrones", afirma.

Investigadores del Imperial College de Londres (Reino Unido) utilizan la biología sintética para rediseñar el Fotosistema II y mantenerlo integrado en las células vivas. Otros pretenden rediseñar completamente el proceso utilizando materiales sintéticos.

"Lo que intentamos es aprender el concepto de diseño de la fotosíntesis natural", afirma Vachandra y Junko Yano, colega de Kern en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Yano dice que la lección más importante es que el proceso sólo funciona realmente en un entorno altamente controlado, como el del corazón del Fotosistema II. "Ese tipo de química realmente bien controlada, no podemos hacerla ahora mismo en sistemas de fotosíntesis artificiales", dice.

Sin embargo, con más trabajo, los científicos podrían aprender a imitar uno de los trucos más extraordinarios de la naturaleza.