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Os químicos da LMU usam química quântica de alta precisão para estudar elementos-chave da transferência de energia supereficiente em um elemento importante da fotossíntese.
A fotossíntese é o motor de toda a vida na Terra. Processos complexos são necessários para a conversão de dióxido de carbono e água, movida a luz solar, em açúcar e oxigênio ricos em energia. Esses processos são conduzidos por dois complexos proteicos, os fotossistemas I e II. No fotossistema I, a luz solar é utilizada com eficiência de quase 100%. Aqui, uma rede complexa de 288 clorofilas desempenha o papel decisivo. Uma equipe liderada pela química do LMU Regina de Vivie-Riedle agora caracterizou essas clorofilas com a ajuda de cálculos químicos quânticos de alta precisão – um marco importante para uma compreensão abrangente da transferência de energia neste sistema e potencialmente capaz de explorar sua eficiência em sistemas artificiais no futuro.
As clorofilas no fotossistema I capturam a luz solar em um complexo de antenas e transferem a energia para um centro de reação. Lá, a energia solar é usada para desencadear um processo redox – ou seja, um processo químico pelo qual os elétrons são transferidos. O rendimento quântico do fotossistema I é quase 100%, o que significa que quase todo fóton absorvido leva a um evento redox no centro de reação.
Simulação em condições naturais
“Embora a complicada transferência de energia dentro do fotossistema tenha sido estudada por décadas, não há consenso até hoje sobre o mecanismo exato”, diz de Vivie-Riedle. Para obter informações mais profundas, os pesquisadores simularam a excitação luminosa de todas as clorofilas em um modelo de fotossistema I embutido em uma membrana lipídica. Um método de múltiplas referências altamente preciso foi usado para calcular as excitações eletrônicas. Em comparação com estudos anteriores, esta abordagem permite que o fotossistema I seja descrito com base na metodologia de ponta. Os cálculos complicados foram possíveis graças ao supercomputador do Centro de Supercomputação Leibniz.
Os resultados do estudo, que é destaque na capa da revista ciência química, revelam as chamadas “clorofilas vermelhas” que absorvem a luz com energias ligeiramente mais baixas do que seus vizinhos devido aos efeitos eletrostáticos do ambiente. Como resultado, seu espectro de absorção é deslocado para o vermelho. Analogamente, os pesquisadores também identificaram barreiras de energia entre o complexo da antena e o centro de reação, entre outros locais. “Isto parece surpreendente à primeira vista porque não existe um gradiente óbvio ao longo do qual a energia é transferida do complexo da antena para o centro de reação,” explica o principal autor Sebastian Reiter.
Flutuações superam barreiras energéticas
Em condições fisiológicas, porém, todo o fotossistema I está sujeito a flutuações térmicas que superam essas barreiras energéticas, pois as energias relativas das clorofilas mudam umas em relação às outras. Dessa forma, novos caminhos para o centro de reação podem se abrir constantemente, enquanto outros se fecham. Isso, de acordo com a tese central dos autores, pode ser a chave para a alta eficiência do fotossistema I.
“Nossa simulação atomística desses processos permite uma compreensão microscópica do sistema e sua dinâmica em seu ambiente natural, complementar a abordagens experimentais”, conclui Regina de Vivie-Riedle, que também é membro do conversão eletrônica aglomerado de excelência. Um dos objetivos do cluster é um dia transferir a eficiência de fotocatalisadores naturais para sistemas híbridos nano-bio artificiais para aplicações como a produção de hidrogênio como transportador de energia ou a conversão de monóxido de carbono em combustível. Isso requer uma melhor compreensão do mecanismo de transferência de energia. Com seus resultados no fotossistema I, os cientistas agora deram um passo importante para a realização desse objetivo.
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