Usando un conjunto complejo de pigmentos, proteínas, enzimas y coenzimas tachonados de metal, los organismos fotosintéticos pueden convertir la energía de la luz en energía química para sustentar su vida. Y ahora, gracias a un estudio publicado hoy en Nature, sabemos que esta reacción química orgánica es sensible a la menor cantidad de luz posible: un solo fotón. El descubrimiento certifica nuestra comprensión actual de la fotosíntesis y ayudará a responder preguntas sobre cómo funciona la vida en la escala más pequeña, donde se encuentran la física cuántica y la biología.
«Se ha realizado una gran cantidad de trabajo, teórico y experimental, en todo el mundo tratando de comprender qué sucede después de que se absorbe un fotón. Pero nos dimos cuenta de que nadie estaba hablando del primer paso. Esa era todavía una pregunta que necesitaba respuesta en detalle«, comenta el coautor principal Graham Fleming, científico senior de la facultad en el Área de Biociencias del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de química en UC Berkeley.
En su estudio, Fleming, la coautora principal Birgitta Whaley, científica senior de la facultad en el Área de Ciencias de la Energía en Berkeley Lab, y sus grupos de investigación, demostraron que un solo fotón puede iniciar el primer paso de la fotosíntesis en bacterias moradas fotosintéticas. Debido a que todos los organismos fotosintéticos usan procesos similares y comparten un ancestro evolutivo, el equipo confía en que la fotosíntesis en plantas y algas funcione de la misma manera. «La naturaleza inventó un truco muy inteligente«, según Fleming.
Cómo los sistemas vivos usan la luz para la fotosíntesis
Con base en la eficiencia de la fotosíntesis para convertir la luz solar en moléculas ricas en energía, los científicos han asumido durante mucho tiempo que un solo fotón fue todo lo que se necesitó para iniciar la reacción, en la que los fotones pasan energía a los electrones que luego intercambian lugares con electrones en diferentes moléculas, creando eventualmente los ingredientes precursores para la producción de azúcares. Después de todo, el sol no proporciona tantos fotones, solo mil fotones llegan a una sola molécula de clorofila por segundo en un día soleado, pero el proceso ocurre de manera confiable en todo el planeta.
Sin embargo, «nadie había respaldado esa suposición con una demostración«, recuerda el primer autor Quanwei Li, investigador postdoctoral conjunto que desarrolla nuevas técnicas experimentales con luz cuántica en los grupos Fleming y Whaley.
Y, para complicar aún más las cosas, gran parte de la investigación que ha revelado detalles precisos sobre los pasos posteriores de la fotosíntesis se realizó activando moléculas fotosintéticas con potentes pulsos de láser ultrarrápidos.
Diferencias entre un rayo láser y la luz solar
«Hay una gran diferencia de intensidad entre un láser y la luz solar: un rayo láser enfocado típico es un millón de veces más brillante que la luz solar«, asegura Li. Incluso si logras producir un haz débil con una intensidad similar a la de la luz solar, siguen siendo muy diferentes debido a las propiedades cuánticas de la luz llamadas estadísticas de fotones. Dado que nadie ha visto cómo se absorbe el fotón, no sabemos qué diferencia hace qué tipo de fotón es. «Pero al igual que se necesita comprender cada partícula para construir una computadora cuántica, debemos estudiar las propiedades cuánticas de los sistemas vivos para comprenderlos realmente y crear sistemas artificiales eficientes que generen combustibles renovables«.
La fotosíntesis, al igual que otras reacciones químicas, se entendió por primera vez de forma básica, lo que significa que sabíamos cuáles eran las entradas y salidas generales y, a partir de eso, podíamos inferir cómo podrían ser las interacciones entre las moléculas individuales. En las décadas de 1970 y 1980, los avances tecnológicos permitieron a los científicos estudiar directamente las sustancias químicas individuales durante las reacciones. Ahora, los científicos están comenzando a explorar la próxima frontera, el átomo individual y la escala de partículas subatómicas, utilizando tecnologías aún más avanzadas.
De la suposición al hecho: el fotón «heraldo»
Diseñar un experimento que permitiera la observación de fotones individuales significó reunir a un equipo único de teóricos y experimentadores que combinaron herramientas de vanguardia de la óptica cuántica y la biología. «Fue nuevo para las personas que estudian la fotosíntesis, porque normalmente no usan estas herramientas, y fue nuevo para las personas en óptica cuántica porque normalmente no pensamos en aplicar estas técnicas a sistemas biológicos complejos«, recuerda Whaley, quien también es profesor de física química en UC Berkeley.
Los científicos instalaron una fuente de fotones que genera un solo par de fotones a través de un proceso llamado conversión descendente paramétrica espontánea. Durante cada pulso, el primer fotón, «el heraldo», se observó con un detector de alta sensibilidad, que confirmó que el segundo fotón se dirigía a la muestra ensamblada de estructuras moleculares absorbentes de luz tomadas de bacterias fotosintéticas. Se instaló otro detector de fotones cerca de la muestra para medir el fotón de menor energía que emite la estructura fotosintética después de que absorbió el segundo fotón «anunciado» del par original.
El uso de fotones individuales
La estructura de absorción de luz utilizada en el experimento, llamada LH2, se ha estudiado ampliamente. Se sabe que los fotones en la longitud de onda de 800 nanómetros (nm) son absorbidos por un anillo de nueve moléculas de bacterioclorofila en LH2, lo que hace que la energía pase a un segundo anillo de 18 moléculas de bacterioclorofila que pueden emitir fotones fluorescentes a 850 nm. En las bacterias nativas, la energía de los fotones continuaría transfiriéndose a las moléculas posteriores hasta que se utilice para iniciar la química de la fotosíntesis. Pero en el experimento, cuando las LH2 habían sido separadas de otra maquinaria celular, la detección del fotón de 850 nm sirvió como señal definitiva de que el proceso se había activado.
«Si solo tienes un fotón, es terriblemente fácil perderlo. Esa fue la dificultad fundamental en este experimento y es por eso que usamos el fotón heraldo«, afirma Fleming. Los científicos analizaron más de 17.700 millones de eventos de detección de fotones anunciados y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes anunciados para garantizar que las observaciones solo pudieran atribuirse a la absorción de un solo fotón y que ningún otro factor influyera en los resultados.
Más allá
«Creo que lo primero es que este experimento ha demostrado que en realidad se pueden hacer cosas con fotones individuales. Ese es un punto muy, muy importante«, concluye Whaley. «Lo siguiente es, ¿qué más podemos hacer? Nuestro objetivo es estudiar la transferencia de energía de los fotones individuales a través del complejo fotosintético en las escalas temporales y espaciales más cortas posibles«.
Fuente: Nature.
