Energía solar a partir de las plantas: revelando los secretos de la fotosíntesis a través del láser de rayos X de electrones libres Understand article

A la captura del momento: para producir artificialmente energía limpia a partir de la fotosíntesis, primero necesitamos entenderla mejor. En este artículo aprenderás cómo los láseres de rayos X de electrones libres pueden ayudarnos.

Un científico en el instrumento de cristalografía serial de femtosegundos en el XFEL europeo.
El instrumento de cristalografía serial de femtosegundos del XFEL europeo.
© XFEL europeo

La fotosíntesis es un proceso extraordinario que permite a las plantas transformar la energía del sol en energía química de manera eficiente. La fotosíntesis utiliza moléculas que se encuentran en abundancia en la atmósfera para producir energía que puede ser almacenada, además de que los productos derivados de la fotosíntesis benefician a otros organismos. Las tecnologías en energía solar más recientes no están ni siquiera cerca de cumplir estos criterios. Por lo tanto, imagínate si lográramos imitar el proceso de la fotosíntesis para satisfacer nuestras necesidades energéticas. Antes de comenzar, necesitamos entender con precisión cómo funciona la fotosíntesis. Sin embargo, es un proceso muy complejo en el que participan estructuras de proteínas enormes y que se da en una escala de tiempo inconcebiblemente corta. Entonces, ¿cómo podemos obtener una perspectiva clara de lo qué ocurre?

¿Qué sabemos acerca de la fotosíntesis?

La fotosíntesis es un proceso por medio del cual las plantas verdes, las cianobacterias y las algas, capturan y usan la energía luminosa para transformar el dióxido de carbono y el agua en energía química, en forma de azúcares. Se puede resumir con la siguiente ecuación:

3CO2 + 6 H2O + luz → C3H6O3 + 3O2 + 3H2O

El cloroplasto, que es un organelo celular característico de los organismos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, es el centro de la energía solar de la planta. Contiene dos tipos de máquinas proteicas grandes y sensibles a la luz que se llaman fotosistemas: fotosistema I (PSI por sus siglas en inglés) y fotosistema II (PSII por sus siglas en inglés).

Ordenamiento de los fotosistemas en la membrana tilacoide que incluye detalles sobre las trayectorias fotosintéticas.
Ordenamiento de los fotosistemas en la membrana tilacoide que incluye detalles sobre las trayectorias fotosintéticas.
Somepics/ Wikimedia, CC BY-SA 4.0.

Los fotosistemas que se encuentran en la membrana tilacoide capturan fotones de luz y los dirigen hacia las moléculas de clorofila, las cuales al absorber los fotones se excitan y liberan electrones. Los electrones pasan a través de una cadena de transferencia de electrones desde un fotosistema al otro, antes de que se usen para crear energía (al convertir el nicotinamida adenina dinucleótido fosfato,  NADP+, a su forma reducida, NADPH) en el ciclo de Calvin y producir azúcares a partir del dióxido de carbono. El agua también es un componente crucial, ya que el PSII separa las moléculas de agua para liberar moléculas de oxígeno y iones de hidrógeno. Al acumularse, estos iones crean una diferencia de carga sobre la membrana tilacoide y después se mueven a través de la membrana con ayuda de la adenosina trifosfato sintasa (ATP por sus siglas en inglés) y crean energía en la forma de ATP.

Si quisiéramos construir una celda de energía solar, necesitaríamos saber más acerca de las estructuras atómicas en 3D del PSI y el PSII, así como lo que ocurre dentro de ellos. Aunque los investigadores han estudiado la fotosíntesis durante décadas, algunos detalles han sido muy difíciles de explicar. Los científicos pueden utilizar un haz de rayos X de alto poder para crear modelos de la estructura de una proteína, pero las proteínas deben ser cristalizadas antes. Los cristales de proteínas grandes son los que mejor funcionan, sin embargo hacerlos crecer no es fácil. Los fotosistemas son complejos proteicos enormes — el PSI consiste de aproximadamente 26 proteínas, 288 clorofilos y 380 moléculas de otro tipo — y las proteínas grandes son particularmente más difíciles de cristalizar. Las proteínas en membranas, como el PSI y el PSII, son aún más difíciles de cristalizar. En el mejor de los casos, las proteínas grandes y de membranas producen cristales muy pequeños que necesitan tiempos de exposición muy largos, por lo que si la radiación de rayos X es muy potente, puede destruir las proteínas antes de que se obtenga su imagen.

Un investigador prepara y monta una tobera en el XFEL europeo.
Izquierda: Preparación de las toberas en el laboratorio: un chorro de cristales pequeños pasará a través de estas toberas hacia el haz de rayos X. Derecha: Montaje de la tobera en el instrumento.
© XFEL europeo

¿Cómo podrían ayudar los láseres de rayos X de electrones libres (XFELs por sus siglas en inglés)?

European XFEL

El XFEL europeo es un láser de rayos X de electrones libres, que genera destellos de rayos X extremadamente cortos y brillantes, a una tasa de 27.000 veces por segundo. Estos destellos de rayos X son aproximadamente mil millones de veces más brillantes que aquellos que producen los sincrotrones, otro tipo de fuente de rayos X. El XFEL europeo se localiza en túneles subterráneos que cubren una distancia de 3.4 km, desde el campus en Hamburgo hasta el pueblo cercano de Schenefeld donde se encuentra el Deutsches Elektronen-Synchotron (DESY). Para generar luz de rayos X, los electrones primero se aceleran hasta casi alcanzar la velocidad de la luz. Una vez que han recorrido la longitud de 1,7 km del acelerador, los electrones pasan a unas estructuras llamadas onduladores. Estos consisten en una serie de magnetos alternantes que fuerzan a los electrones a pasar a través de una trayectoria en forma de zigzag. Cuando los electrones viajan por una trayectoria que se curva debido a magnetos tan potentes como este, emiten un láser similar a la luz de rayos X. Científicos de diferentes partes del mundo vienen al XFEL europeo para emplear estos destellos de rayos X en sus investigaciones.  

Tubos amarillos en los cuales se aceleran los electrones dentro del túnel del XFEL europeo.
Interior del túnel del XFEL europeo. Los electrones se aceleran dentro de los tubos amarillos.
© XFEL europeo

Imágenes detalladas de proteínas grandes

La luz que se produce en el XFEL europeo es extremadamente brillante y se genera con ráfagas muy cortas que se dan en sucesión rápida. Esto significa que se puede usar para superar algunos de los retos que se encuentran al obtener imágenes de proteínas de membrana grandes, como en el PSI y PSII. En el XFEL europeo, el que los cristales sean pequeños carece de importancia. De hecho, se ha optimizado un método llamado cristalografía serial de femtosegundo que se usa para los microcristales. Primero, un chorro de cristales pequeños se lanza dentro de la trayectoria del haz de rayos X, y se crea una imagen de cada proteína antes de que el poder de la radiación las destruya.

Un esquema en 3D para experimentos de cristalografía serial de femtosegundo en el XFEL europeo.
Diseño básico de un experimento de cristalografía serial de femtosegundos en el XFEL europeo. Las ráfagas de rayos X (representadas con los peines dorados que se ven a la izquierda) golpean a las muestras cristalizadas, lo que resulta en la difracción de patrones que se pueden reconstruir como imágenes detalladas.
© Shireen Dooling/ASU

Las imágenes individuales se juntan para crear una imagen compuesta detallada. Los investigadores ya han utilizado los destellos rápidos que se producen de esta manera en el XFEL europeo, y los XFELs se han utilizado para crear las imágenes más detalladas que tenemos del PSI. [1,2]

Una estructura 3D del fotosistema I generada por computadora.
Estructura del PSI basada en los datos recolectados en el XFEL europeo durante uno de los primeros tiempo-rayos, en septiembre del 2017. A la derecha, se muestran proteínas por sí solas para comparar. La vista lateral que se ve arriba muestra detalles de las estructuras de antena que se encuentran sobre el cuerpo principal de la estructura. Estas antenas capturan las partículas de luz y las canalizan hacia el centro de la reacción en medio de la molécula. El tamaño de las moléculas se mide en Ångstroms; 1 Å es aproximadamente del tamaño de un átomo o 0.1 nanómetros. El PSI es un trímero, es decir una molécula que está conformada por tres subunidades que se conocen como monómeros.
De la Ref. [1], CC BY 4.0.

Moléculas en acción

Sin embargo, hasta una imagen de alta calidad es solamente un momento capturado en el tiempo. Nos permite capturar imágenes detalladas del antes y el después, pero lo que realmente queremos es ver estas proteínas en acción para entender cuáles son los pasos intermedios. Una vez que se logre esto, podremos empezar a entender, por ejemplo, como es que el PSII separa el agua. Sin embargo, la fotosíntesis es un proceso extremadamente rápido. La transferencia de energía entre las diferentes partes del fotosistema dura entre 500 a 1000 femtosegundos. Un femtosegundo es un milbillonésimo de segundo o 1 x 10−15 s. Por comparar, un mosquito puede batir sus alas hasta 1000 veces por segundo, por lo que cada una de sus batidas de ala dura 100 000 000 000 (1 x 1011) femtosegundos. El proceso entero de la fotosíntesis dura menos que la batida de alas de un mosquito.

Un fotógrafo que toma imágenes de un partido de fútbol utiliza la velocidad del obturador en su cámara que corresponde a la velocidad de la acción para poder tomar una serie de imágenes nítidas en rápida sucesión. Si las imágenes son buenas, la historia del partido se puede hilar después. Así mismo, para documentar el progreso de la fotosíntesis, necesitamos una ‘cámara’ que sea lo suficientemente rápida para capturar el movimiento. Los destellos de rayos X que se generan en el XFEL europeo son tan breves que los investigadores pueden tomar secuencias de imágenes de los procesos que ocurren en la escala de tiempo de los femtosegundos, para hilarlos después y crear una ‘película molecular’.

Imagen diseñada por un artista de la cristalografía serial de femtosegundos.

Imagen diseñada por un artista de un experimento de cristalografía serial de femtosegundos, para crear imágenes de una proteína foto-sensible. La corriente de proteínas cristalinas se bombardea primero con un láser óptico y después con un láser de rayos X. La información recabada acerca del orden de los átomos en la proteína se usa para reconstruir un modelo de la estructura de la proteína.
© XFEL europeo/Blue Clay Studio

En proteínas sensibles a la luz, como el PSI y el PSII, la reacción se desencadena al exponer los cristales de las proteínas a pulsaciones de luz. Los destellos de rayos X se programan para que golpeen los cristales en una serie de intervalos durante la reacción. De esta manera, los investigadores pueden ‘tomar’ imágenes de las diferentes etapas del proceso, a medida que se desarrolla.

En el XFEL europeo, los científicos han hecho pruebas con este sistema experimental en otra proteína sensible a la luz y pronto usarán este sistema para hacer películas moleculares del PSI y del PSII.[3, 4]

Scientists monitoring the experiment from the control room.
Científicos monitorean el experimento desde la sala de control.
© XFEL europeo

Perspectiva de la fotosíntesis artificial

A diferencia de las plantas, el azúcar no es el combustible que utilizamos en nuestros sistemas industriales y de movilidad. Sin embargo, imitar algunas partes del proceso fotosintético podría permitirnos crear productos útiles. Podríamos separar el agua para crear hidrógeno como combustible de aviones o para hacer acero, o podríamos usar dióxido de carbono para crear combustibles como el metanol para usar en vehículos o en procesos químicos. Los científicos ya pueden imitar algunos de estos procesos en el laboratorio. Nuestros descubrimientos más recientes en física junto con la ingeniería de alta precisión nos ayudarán a revelar los secretos de este asombroso proceso natural y lograr eficiencias nuevas para un futuro sustentable.


References

[1] Gisriel C et al. (2019) Membrane protein megahertz crystallography at the European XFEL. Nature Communications 10: doi: 10.1038/s41467-019-12955-3

[2] Uso del XFEL europeo para iluminar la fotosíntesis: https://www.xfel.eu/news_and_events/news/index_eng.html?openDirectAnchor=1733&two_columns=0

[3] Primeras películas moleculares en el XFEL europeo: https://www.xfel.eu/news_and_events/news/index_eng.html?openDirectAnchor=1736&two_columns=0

[4] Pandey S et al. (2020) Time-resolved serial femtosecond crystallography at the European XFEL. Nature Methods 17: 73–78. doi: 10.1038/s41592-019-0628-z.

Resources

– Gupta D, Armstrong D (2021) Introducing students to the beauty of biomolecules. Science in School 53.

– Gupta D, Armstrong D (2021) Bringing the beauty of proteins to the classroom: the PDB Art Project. Science in School 54.

Institutions

European XFEL

Author(s)

Rosemary Wilson es una divulgadora científica y escritora basada en Alemania. Actualmente, trabaja con el grupo de comunicaciones en el XFEL europeo y anteriormente trabajó en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL por sus siglas en inglés) en Hamburgo. Hace mucho tiempo, completó su doctorado en filogenia molecular de las plantas y estudió las relaciones moleculares dentro de un grupo de hepaticofitas.

Rosemary Wilson con un grupo de mujeres científicas hechas de Lego


Review

Cuando enseñamos ciencias, necesitamos profundizar y abarcar mucho acerca de los tópicos. Este artículo es una oportunidad excelente para ver cómo los conocimientos sobre química, biología y física se interconectan para entender la utilidad de los láseres de rayos X libres de electrones. También es un buen ejemplo sobre cómo la ciencia puede apoyar a la sustentabilidad, ya que describe algunas de las investigaciones hechas acerca de la fotosíntesis artificial. Como ciudadanos, nos beneficiamos también al saber más sobre las colaboraciones científicas entre nuestros países europeos, como el XFEL. Algunas preguntas para discusión:

  • ¿Cómo se puede estudiar una reacción química en tiempo real?
  • ¿Cómo se distribuye el mecanismo de reacción de la fotosíntesis en la membrana tilacoide?
  • ¿Qué es la cristalografía serial de femtosegundos?
  • ¿Para qué se utiliza la unidad Ångstrom (Å)?
  • Describe cómo los gases de la fotosíntesis pueden ser parte de una aplicación sustentable (dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno)
  • ¿Cómo pueden los científicos usar diferentes tipos de radiación electromagnética para lograr entender mejor materiales y reacciones químicas como la fotosíntesis (luz visible, IR, UV, rayos X…)?

Ingela Bursjöö tiene un doctorado y es profesora de química, biología y física en Montessori School Elyseum, Gothenburg, Suecia.

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