MIT |La disposición desorganizada de las proteínas en los complejos captadores de luz es la clave de su extrema eficiencia.
Cuando las células fotosintéticas absorben la luz del sol, los paquetes de energía llamados fotones saltan entre una serie de proteínas captadoras de luz hasta que alcanzan el centro de reacción fotosintética. Allí, las células convierten la energía en electrones, que eventualmente impulsan la producción de moléculas de azúcar.
Esta transferencia de energía a través del complejo captador de luz ocurre con una eficiencia extremadamente alta: casi cada fotón de luz absorbido genera un electrón, un fenómeno conocido como eficiencia cuántica cercana a la unidad.
Un nuevo estudio de químicos del MIT ofrece una posible explicación de cómo las proteínas del complejo captador de luz, también llamado antena, logran esa alta eficiencia. Por primera vez, los investigadores pudieron medir la transferencia de energía entre las proteínas captadoras de luz, lo que les permitió descubrir que la disposición desorganizada de estas proteínas aumenta la eficiencia de la transducción de energía.
“Para que esa antena funcione, se necesita transducción de energía a larga distancia.Nuestro hallazgo clave es que la organización desordenada de las proteínas captadoras de luz mejora la eficiencia de esa transducción de energía a larga distancia”, dice Gabriela Schlau-Cohen, profesora asociada de química en el MIT y autora principal del nuevo estudio.
Los posdoctorados del MIT Dihao Wang y Dvir Harris y la exestudiante de posgrado del MIT Olivia Fiebig PhD ´22 son los autores principales del artículo , que aparece esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Jianshu Cao, profesor de química del MIT, también es autor del artículo.
Captura de energía
Para este estudio, el equipo del MIT se centró en las bacterias moradas, que a menudo se encuentran en ambientes acuáticos pobres en oxígeno y se usan comúnmente como modelo para estudios de recolección de luz fotosintética.
Dentro de estas células, los fotones capturados viajan a través de complejos captadores de luz que consisten en proteínas y pigmentos absorbentes de luz como la clorofila. Usando espectroscopía ultrarrápida, una técnica que usa pulsos de láser extremadamente cortos para estudiar eventos que ocurren en escalas de tiempo de femtosegundos a nanosegundos, los científicos han podido estudiar cómo se mueve la energía dentro de una sola de estas proteínas. Sin embargo, estudiar cómo viaja la energía entre estas proteínas ha resultado mucho más desafiante porque requiere posicionar múltiples proteínas de manera controlada.
Para crear una configuración experimental en la que pudieran medir cómo viaja la energía entre dos proteínas, el equipo del MIT diseñó membranas sintéticas a nanoescala con una composición similar a las de las membranas celulares naturales. Al controlar el tamaño de estas membranas, conocidas como nanodiscos, pudieron controlar la distancia entre dos proteínas incrustadas dentro de los discos.
Para este estudio, los investigadores incorporaron dos versiones de la principal proteína captadora de luz que se encuentra en las bacterias moradas, conocidas como LH2 y LH3, en sus nanodiscos. LH2 es la proteína que está presente en condiciones normales de luz, y LH3 es una variante que generalmente se expresa solo en condiciones de poca luz.
Usando el microscopio crioelectrónico en las instalaciones de MIT.nano, los investigadores pudieron obtener imágenes de sus proteínas incrustadas en la membrana y mostrar que estaban ubicadas a distancias similares a las observadas en la membrana nativa. También pudieron medir las distancias entre las proteínas captadoras de luz, que estaban en la escala de 2,5 a 3 nanómetros.
Desordenado es mejor
Debido a que LH2 y LH3 absorben longitudes de onda de luz ligeramente diferentes, es posible usar espectroscopía ultrarrápida para observar la transferencia de energía entre ellos. Para las proteínas muy juntas, los investigadores encontraron que un fotón de energía tarda alrededor de 6 picosegundos en viajar entre ellas. Para proteínas más separadas, la transferencia toma hasta 15 picosegundos.
Un viaje más rápido se traduce en una transferencia de energía más eficiente, porque cuanto más dura el viaje, más energía se pierde durante la transferencia.
“Cuando se absorbe un fotón, solo tiene un tiempo antes de que esa energía se pierda a través de procesos no deseados, como la descomposición no radiativa, por lo que cuanto más rápido se pueda convertir, más eficiente será”, dice Schlau-Cohen.
Los investigadores también encontraron que las proteínas dispuestas en una estructura reticular mostraban una transferencia de energía menos eficiente que las proteínas dispuestas en estructuras organizadas al azar, como suele ser en las células vivas.
“La organización ordenada es en realidad menos eficiente que la organización desordenada de la biología, lo que creemos que es realmente interesante porque la biología tiende a estar desordenada. Este hallazgo nos dice que eso puede no ser solo un inconveniente inevitable de la biología, sino que los organismos pueden haber evolucionado para aprovecharlo”, dice Schlau-Cohen.
Ahora que han establecido la capacidad de medir la transferencia de energía entre proteínas, los investigadores planean explorar la transferencia de energía entre otras proteínas, como la transferencia entre las proteínas de la antena y las proteínas del centro de reacción. También planean estudiar la transferencia de energía entre proteínas de antena que se encuentran en organismos distintos de las bacterias moradas, como las plantas verdes.
La investigación fue financiada principalmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
AUTOR
MIT
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