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Usando um elenco complexo de pigmentos cravejados de metal, proteínas, enzimas e coenzimas, os organismos fotossintéticos podem converter a energia da luz em energia química para a vida. E agora, graças a um estudo publicado em 14 de junho na Naturezasabemos que essa reação química orgânica é sensível à menor quantidade de luz possível – um único fóton.
A descoberta solidifica nossa compreensão atual da fotossíntese e ajudará a responder a perguntas sobre como a vida funciona nas menores escalas, onde a física quântica e a biologia se encontram.
“Uma grande quantidade de trabalho, teórica e experimentalmente, foi feita em todo o mundo tentando entender o que acontece depois que um fóton é absorvido. Mas percebemos que ninguém estava falando sobre o primeiro passo. Essa ainda era uma questão que precisava ser respondida em detalhes”, disse o co-autor Graham Fleming, cientista sênior da área de biociências do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professor de química na UC Berkeley.
Em seu estudo, Fleming, co-autor principal Birgitta Whaley, cientista sênior do corpo docente da Área de Ciências da Energia do Berkeley Lab, e seus grupos de pesquisa mostraram que um único fóton pode realmente iniciar a primeira etapa da fotossíntese em bactérias roxas fotossintéticas. Como todos os organismos fotossintéticos usam processos semelhantes e compartilham um ancestral evolutivo, a equipe está confiante de que a fotossíntese em plantas e algas funciona da mesma maneira. “A natureza inventou um truque muito inteligente”, disse Fleming.
Como os sistemas vivos usam a luz
Com base na eficiência da fotossíntese na conversão da luz solar em moléculas ricas em energia, os cientistas há muito supõem que um único fóton foi o suficiente para iniciar a reação, em que os fótons passam energia para os elétrons que então trocam de lugar com os elétrons em diferentes moléculas, eventualmente criando os ingredientes precursores para a produção de açúcares. Afinal, o sol não fornece tantos fótons – apenas mil fótons chegam a uma única molécula de clorofila por segundo em um dia ensolarado – mas o processo ocorre de forma confiável em todo o planeta.
No entanto, “ninguém jamais apoiou essa suposição com uma demonstração”, disse o primeiro autor Quanwei Li, pesquisador de pós-doutorado que desenvolve novas técnicas experimentais com luz quântica nos grupos Fleming e Whaley.
E, para complicar ainda mais as coisas, grande parte da pesquisa que revelou detalhes precisos sobre as etapas posteriores da fotossíntese foi realizada acionando moléculas fotossintéticas com pulsos de laser poderosos e ultrarrápidos.
“Há uma enorme diferença de intensidade entre um laser e a luz do sol – um típico feixe de laser focado é um milhão de vezes mais brilhante que a luz do sol”, disse Li. Mesmo que você consiga produzir um feixe fraco com uma intensidade igual à da luz solar, eles ainda são muito diferentes devido às propriedades quânticas da luz chamadas estatísticas de fótons. Como ninguém viu o fóton ser absorvido, não sabemos que diferença faz que tipo de fóton é, explicou. “Mas, assim como você precisa entender cada partícula para construir um computador quântico, precisamos estudar as propriedades quânticas dos sistemas vivos para entendê-los verdadeiramente e criar sistemas artificiais eficientes que gerem combustíveis renováveis”.
A fotossíntese, como outras reações químicas, foi primeiro compreendida em massa – o que significa que sabíamos quais eram as entradas e saídas gerais e, a partir disso, poderíamos inferir como seriam as interações entre moléculas individuais. Nas décadas de 1970 e 80, os avanços na tecnologia permitiram aos cientistas estudar diretamente os produtos químicos individuais durante as reações. Agora, os cientistas estão começando a explorar a próxima fronteira, o átomo individual e a escala de partículas subatômicas, usando tecnologias ainda mais avançadas.
Da suposição ao fato
Projetar um experimento que permitisse a observação de fótons individuais significava reunir uma equipe única de teóricos e experimentalistas que combinavam ferramentas de ponta da óptica quântica e da biologia. “Era novidade para quem estuda a fotossíntese, porque normalmente não usa essas ferramentas, e era novidade para quem estuda a óptica quântica porque normalmente não pensamos em aplicar essas técnicas a sistemas biológicos complexos”, disse Whaley, que também é professor de física química na UC Berkeley.
Os cientistas criaram uma fonte de fótons que gera um único par de fótons por meio de um processo chamado down-conversion paramétrico espontâneo. Durante cada pulso, o primeiro fóton – “o arauto” – foi observado com um detector altamente sensível, o que confirmou que o segundo fóton estava a caminho da amostra montada de estruturas moleculares absorvedoras de luz retiradas de bactérias fotossintéticas. Outro detector de fótons próximo à amostra foi instalado para medir o fóton de baixa energia que é emitido pela estrutura fotossintética depois que absorveu o segundo fóton “anunciado” do par original.
A estrutura de absorção de luz usada no experimento, chamada LH2, foi estudada extensivamente. Sabe-se que os fótons no comprimento de onda de 800 nanômetros (nm) são absorvidos por um anel de 9 moléculas de bacterioclorofila em LH2, fazendo com que a energia seja passada para um segundo anel de 18 moléculas de bacterioclorofila que podem emitir fótons fluorescentes em 850 nm. Nas bactérias nativas, a energia dos fótons continuaria sendo transferida para as moléculas subseqüentes até que fosse usada para iniciar a química da fotossíntese. Mas no experimento, quando os LH2s foram separados de outras máquinas celulares, a detecção do fóton de 850 nm serviu como sinal definitivo de que o processo havia sido ativado.
“Se você tem apenas um fóton, é muito fácil perdê-lo. Essa foi a dificuldade fundamental desse experimento e é por isso que usamos o fóton arauto”, disse Fleming. Os cientistas analisaram mais de 17,7 bilhões de eventos de detecção de fótons arautos e 1,6 milhão de eventos de detecção de fótons fluorescentes anunciados para garantir que as observações só pudessem ser atribuídas à absorção de um único fóton e que nenhum outro fator influenciasse os resultados.
“Acho que a primeira coisa é que esse experimento mostrou que você pode realmente fazer coisas com fótons individuais. Portanto, esse é um ponto muito, muito importante”, disse Whaley. “A próxima coisa é, o que mais podemos fazer? Nosso objetivo é estudar a transferência de energia de fótons individuais através do complexo fotossintético nas escalas temporais e espaciais mais curtas possíveis.”
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