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A fotossíntese desempenha um papel crucial na formação e manutenção da vida na Terra, mas muitos aspectos do processo permanecem um mistério. Um desses mistérios é como o Photossystem II, um complexo de proteínas em plantas, algas e cianobactérias, colhe energia da luz solar e a usa para dividir a água, produzindo o oxigênio que respiramos. Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC, juntamente com colaboradores da Universidade de Uppsala e da Universidade Humboldt e outras instituições, conseguiram decifrar um segredo fundamental do Fotossistema II.
Usando Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC e o SPring-8 Angstrom Compact free elétron LAser (SACLA) no Japão, eles capturaram pela primeira vez em detalhes atômicos o que acontece nos momentos finais que levam à liberação de oxigênio respirável. Os dados revelam uma etapa de reação intermediária que não havia sido observada antes.
Os resultados, publicados hoje na Naturezalançam luz sobre como a natureza otimizou a fotossíntese e estão ajudando os cientistas a desenvolver sistemas fotossintéticos artificiais que imitam a fotossíntese para colher luz solar natural para converter dióxido de carbono em hidrogênio e combustíveis à base de carbono.
“Quanto mais aprendemos sobre como a natureza faz isso, mais perto chegamos de usar esses mesmos princípios em processos feitos pelo homem, incluindo ideias para a fotossíntese artificial como uma fonte de energia limpa e sustentável”, disse o coautor Jan Kern, cientista da Laboratório de Berkeley.
O co-autor Junko Yano, também do Berkeley Lab, disse: “Photosystem II está nos dando o modelo de como otimizar nossas fontes de energia limpa e evitar becos sem saída e produtos secundários perigosos que danificam o sistema. O que antes pensávamos ser apenas ciência fundamental poderia se tornar um caminho promissor para melhorar nossas tecnologias de energia.”
Bases carregadas
Durante a fotossíntese, o centro de evolução do oxigênio do Fotossistema II – um aglomerado de quatro átomos de manganês e um átomo de cálcio conectados por átomos de oxigênio – facilita uma série de reações químicas desafiadoras que agem para separar uma molécula de água para liberar oxigênio molecular.
O centro passa por quatro estados de oxidação estáveis, conhecidos como S0 através de S3, quando exposto à luz solar. Em um campo de beisebol, S0 seria o início do jogo quando um jogador na base está pronto para rebater. S1-S3 seriam jogadores em primeiro, segundo e terceiro. Cada vez que um batedor se conecta com uma bola, ou o complexo absorve um fóton de luz solar, o jogador no campo avança uma base. Quando a quarta bola é rebatida, o jogador desliza para a casa, marcando uma corrida ou, no caso do Fotossistema II, liberando uma molécula de oxigênio respirável.
Em seus experimentos, os pesquisadores sondaram esse centro excitando amostras de cianobactérias com luz óptica e, em seguida, sondando-as com pulsos ultrarrápidos de raios-X de LCLS e SACLA. Os dados revelaram a estrutura atômica do aglomerado e o processo químico ao seu redor.
Um home run
Usando essa técnica, os cientistas pela primeira vez imaginaram a corrida louca para casa – o estado transitório, ou S4, onde dois átomos de oxigênio se unem e uma molécula de oxigênio é liberada. Os dados mostraram que existem etapas adicionais nesta reação que nunca haviam sido vistas antes.
“Outros especialistas argumentaram que isso é algo que nunca poderia ser capturado”, disse o coautor Uwe Bergmann, cientista e professor da Universidade de Wisconsin-Madison. “Isso realmente vai mudar a maneira como pensamos sobre o Fotossistema II. Embora ainda não possamos dizer que temos um mecanismo único com base nos dados, podemos excluir alguns modelos e ideias que as pessoas propuseram nas últimas décadas. É o mais próximo alguém já conseguiu capturar essa etapa final e mostrar como esse processo funciona com dados estruturais reais.”
O novo estudo é o mais recente de uma série realizada pela equipe na última década. Trabalhos anteriores focaram na observação de várias etapas do ciclo fotossintético na temperatura em que ocorre na natureza.
“A maior parte do processo que produz oxigênio respirável acontece nesta última etapa”, disse o coautor Vittal Yachandra, cientista do Berkeley Lab. “Mas há várias coisas acontecendo em diferentes partes do fotossistema II e todas elas precisam se unir no final para que a reação seja bem-sucedida. Assim como no beisebol, fatores como a localização da bola e a posição dos jogadores de base e defensores afetam os movimentos que um jogador faz para chegar à base, o ambiente de proteínas ao redor do centro catalítico influencia como essa reação se desenrola”.
Raios-X mais brilhantes para um futuro melhor
Com base nesses resultados, os pesquisadores planejam realizar experimentos projetados para capturar muito mais instantâneos do processo.
“Ainda há coisas acontecendo no meio que não conseguimos entender ainda”, disse Kern. “Existem mais instantâneos que realmente queremos tirar, o que preencheria as lacunas restantes e contaria toda a história.”
Para fazer isso, eles precisam aumentar ainda mais a qualidade de seus dados. No passado, esses tipos de medições eram desafiadores porque os sinais de raios-X das amostras eram fracos e as taxas nas quais os lasers de raios-X existentes, como LCLS e SACLA, produziam pulsos de raios-X eram muito pequenas.
“Demorou algum esforço para otimizar a configuração, então não pudemos coletar todos os dados que precisávamos para esta publicação em um único experimento”, disse o coautor e cientista do SLAC, Roberto Alonso-Mori. “Esses resultados, na verdade, incluem dados coletados ao longo de seis anos.”
Quando uma atualização do LCLS, chamada LCLS-II, for lançada no final deste ano, a taxa de repetição disparará de 120 pulsos por segundo para até um milhão por segundo.
“Com essas atualizações, poderemos coletar dados de vários dias em apenas algumas horas”, disse Bergmann. “Também seremos capazes de usar raios-X suaves para entender melhor as mudanças químicas que ocorrem no sistema. Esses novos recursos continuarão a impulsionar esta pesquisa e lançar uma nova luz sobre a fotossíntese.”
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