Em um desenvolvimento inovador, os pesquisadores “hackearam” com sucesso os estágios iniciais da fotossíntese – o processo natural que alimenta a maior parte da vida na Terra. Ao revelar novas técnicas para extrair energia desse processo, as descobertas podem abrir caminho para a geração de combustível limpo e soluções de energia renovável no futuro. Crédito: Robin Horton
Pesquisadores “hackearam” os estágios iniciais de[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.
“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang
An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.
Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.
Embora a fotossíntese seja um processo amplamente conhecido e amplamente estudado, os pesquisadores da Universidade de Cambridge descobriram que ela ainda guarda segredos ocultos. Usando técnicas de espectroscopia ultrarrápida, eles descobriram que a extração de elétrons das estruturas moleculares responsáveis pela fotossíntese ocorre em estágios anteriores ao que se supunha anteriormente. Essa “religação” da fotossíntese pode levar a um melhor gerenciamento do excesso de energia e ao desenvolvimento de novas formas mais eficientes de aproveitar seu potencial. Crédito: Maria Ayers
“Não sabíamos tanto sobre a fotossíntese quanto pensávamos, e a nova via de transferência de elétrons que encontramos aqui é bastante surpreendente”, disse o Dr.
Embora a fotossíntese seja um processo natural, os cientistas também estudam como ela pode ser usada para ajudar a enfrentar a crise climática, simulando processos fotossintéticos para gerar combustíveis limpos a partir da luz do sol e da água, por exemplo.
Zhang e seus colegas estavam originalmente tentando entender por que uma molécula em forma de anel chamada quinona poderia “roubar” elétrons da fotossíntese. As alquenonas são comuns na natureza e podem facilmente aceitar e ceder elétrons. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia de absorção transiente ultrarrápida para estudar como as quinonas se comportam em cianobactérias fotossintéticas.
Uma equipe internacional de cientistas estudou o processo de fotossíntese em células vivas em uma escala de tempo ultrarrápida de um milionésimo de milionésimo de segundo. Apesar da extensa pesquisa, a fotossíntese ainda guarda segredos não descobertos. Usando técnicas de espectroscopia ultrarrápida, a equipe descobriu que os produtos químicos extraem elétrons de estruturas moleculares envolvidas na fotossíntese em estágios muito anteriores ao que se pensava anteriormente. Essa “religação” pode aprimorar o tratamento do excesso de energia do processo e gerar novas e eficientes maneiras de aproveitar sua energia. Crédito: Tommy Peake
“Ninguém havia estudado adequadamente como essa molécula interage com os mecanismos da fotossíntese em um estágio tão inicial da fotossíntese: pensávamos que estávamos usando uma nova técnica para confirmar o que já sabíamos”, disse Zhang. “Em vez disso, encontramos um caminho completamente novo e abrimos um pouco a caixa preta da fotossíntese.”
Usando espectroscopia ultrarrápida para monitorar os elétrons, os pesquisadores descobriram que o andaime da proteína onde ocorrem as reações químicas iniciais da fotossíntese é “vazante”, permitindo que os elétrons escapem. Essa infiltração pode ajudar as plantas a se protegerem dos danos causados pela luz brilhante ou que muda rapidamente.
“A física da fotossíntese é incrivelmente impressionante”, disse o co-primeiro autor Tomi Baikie, do Laboratório Cavendish em Cambridge. “Normalmente, trabalhamos com materiais de ordem superior, mas observar o transporte de carga através das células abre oportunidades maravilhosas para novas descobertas sobre como a natureza funciona.”
disse o co-primeiro autor Dr. Laura Way, que fez o trabalho no Departamento de Bioquímica, agora baseado na Universidade de Turku, na Finlândia. “O fato de não sabermos que esse caminho existia é empolgante, porque podemos aproveitá-lo para extrair mais energia de fontes renováveis”.
Ser capaz de extrair a carga no início do processo de fotossíntese, dizem os pesquisadores, pode tornar o processo mais eficiente ao manipular as vias fotossintéticas para gerar combustível limpo a partir do sol. Além disso, a capacidade de regular a fotossíntese pode significar que as culturas poderiam suportar melhor a luz solar intensa.
“Muitos cientistas tentaram extrair elétrons de um ponto anterior da fotossíntese, mas disseram que não é possível porque a energia está enterrada no andaime da proteína”, disse Zhang. “É incrível o fato de termos conseguido roubá-lo em uma operação anterior. No início, pensamos que tínhamos cometido um erro: demoramos um pouco para nos convencermos de que tínhamos feito isso.”
A chave para a descoberta foi o uso da espectroscopia ultrarrápida, que permitiu aos pesquisadores seguir o fluxo de energia nas células fotossintéticas vivas em uma escala de femtossegundos – um milésimo de trilionésimo de segundo.
“O uso desses métodos ultrarrápidos nos permitiu entender mais sobre os primeiros eventos da fotossíntese, dos quais depende a vida na Terra”, disse o coautor do estudo, o professor Christopher Howe, do Departamento de Bioquímica.
Referência: “Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” de Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao e Jenny Zhang, 22 de março de 2023, disponível aqui. natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), pelo Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC) e faz parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI), bem como do Programa Winton para Física de Sustentabilidade em a Universidade. Cambridge, Comunidade de Cambridge, Fundo Europeu e Internacional e Programa de Pesquisa e Inovação Horizonte 2020. Jenny Zhang é bolsista David Phillips no Departamento de Química e bolsista do Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie é NanoFutures Fellow no Cavendish Laboratory. Laura Way é pós-doutoranda na Fundação Novo Nordisk, Universidade de Turku.
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