La fotosíntesis comienza con un solo fotón

   MADRID, 14 Jun. (EUROPA PRESS) -

   Un experimento novedoso ha revelado la dinámica cuántica de uno de los procesos más cruciales de la naturaleza al comprobar que la fotosíntesis comienza con un solo fotón.

   Gracias a un complejo elenco de pigmentos metálicos, proteínas, enzimas y coenzimas, los organismos fotosintéticos pueden convertir la energía de la luz en energía química para la vida. Y ahora, gracias al nuevo se sabe que esta reacción química orgánica es sensible a la menor cantidad de luz posible, es decir, a un único fotón.

   El descubrimiento, publicado en Nature, consolida nuestra comprensión actual de la fotosíntesis y ayudará a responder preguntas sobre cómo funciona la vida en la más pequeña de las escalas, donde la física cuántica y la biología se encuentran.

   "En todo el mundo se ha realizado una ingente cantidad de trabajo, teórico y experimental, para tratar de entender lo que ocurre tras la absorción de un fotón, pero nos dimos cuenta de que nadie hablaba del primer paso. Esa era una cuestión que aún debía responderse en detalle", afirma Graham Fleming, coautor del estudio, científico titular del Área de Biociencias del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y catedrático de Química de la Universidad de Berkeley (Estados Unidos).

   En su estudio, Fleming, la coautora principal Birgitta Whaley, científica titular del Área de Ciencias de la Energía del Laboratorio de Berkeley, y sus grupos de investigación demostraron que un solo fotón puede iniciar el primer paso de la fotosíntesis en las bacterias fotosintéticas púrpura.

   Dado que todos los organismos fotosintéticos utilizan 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 ha inventado un truco muy ingenioso", afirma Fleming.

   Basándose en la eficacia de la fotosíntesis para convertir la luz solar en moléculas ricas en energía, los científicos han supuesto durante mucho tiempo que bastaba un solo fotón para iniciar la reacción, en la que los fotones transmiten energía a los electrones que, a su vez, se intercambian con electrones de distintas moléculas, creando finalmente los ingredientes precursores para la producción de azúcares. Después de todo, el sol no proporciona tantos fotones --sólo mil fotones llegan a una molécula de clorofila por segundo en un día soleado-- y, sin embargo, el proceso se produce de forma fiable en todo el planeta.

   Sin embargo, "nadie había respaldado nunca 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 de Fleming y Whaley.

   Y, para complicar aún más las cosas, gran parte de la investigación que ha desentrañado detalles precisos sobre los pasos posteriores de la fotosíntesis se llevó a cabo activando moléculas fotosintéticas con potentes pulsos láser ultrarrápidos.

   "Hay una enorme diferencia de intensidad entre un láser y la luz solar: un rayo láser concentrado típico es un millón de veces más brillante que la luz solar", explica Li.

   "Incluso si se consigue producir un haz débil con una intensidad igual a la de la luz solar, siguen siendo muy diferentes debido a las propiedades cuánticas de la luz llamadas estadísticas de fotones. Como nadie ha visto cómo se absorbe el fotón, no sabemos qué diferencia hay entre el tipo de fotón que es --razona--, pero igual que hay que entender cada partícula para construir un ordenador cuántico, necesitamos estudiar las propiedades cuánticas de los sistemas vivos para entenderlos de verdad y hacer sistemas artificiales eficientes que generen combustibles renovables".

   La fotosíntesis, al igual que otras reacciones químicas, se empezó a entender grosso modo, es decir, sabíamos cuáles eran las entradas y salidas globales y, a partir de ahí, podíamos deducir cómo serían las interacciones entre las moléculas individuales.

   En los años 70 y 80, los avances tecnológicos permitieron a los científicos estudiar directamente las reacciones químicas individuales. Ahora, los científicos están empezando a explorar la siguiente frontera, la escala del átomo individual y la partícula subatómica, utilizando tecnologías aún más avanzadas.

   Diseñar un experimento que permitiera observar fotones individuales supuso reunir a un equipo único de teóricos y experimentadores que combinaron herramientas punteras de la óptica cuántica y la biología. "Era nuevo para los que estudian la fotosíntesis, porque normalmente no utilizan estas herramientas, y era nuevo para la gente de la óptica cuántica, porque normalmente no pensamos en aplicar estas técnicas a sistemas biológicos complejos", explica Whaley, que también es profesor de física química en la UC Berkeley.

   Los científicos instalaron una fuente de fotones que genera un único par de fotones mediante un proceso denominado conversión paramétrica descendente espontánea. Durante cada pulso, el primer fotón --"el heraldo"-- se observaba con un detector de alta sensibilidad, que confirmaba que el segundo fotón estaba de camino 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 absorber el segundo fotón "anunciado" del par original.

   La estructura absorbente de luz utilizada en el experimento, denominada LH2, ha sido objeto de numerosos estudios. Se sabe que los fotones en la longitud de onda de 800 nanómetros (nm) son absorbidos por un anillo de 9 moléculas de bacterioclorofila en el LH2, haciendo 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 seguiría transfiriéndose a las moléculas subsiguientes hasta que se utilizara para iniciar la química de la fotosíntesis. Pero en el experimento, cuando las LH2 se habían separado de otra maquinaria celular, la detección del fotón de 850 nm sirvió como señal definitiva de que el proceso se había activado.

   "Si sólo tienes un fotón, es terriblemente fácil perderlo. Así que esa era la dificultad fundamental de este experimento y por eso utilizamos el fotón heraldo", apunta Fleming. Los científicos analizaron más de 17.700 millones de eventos de detección de fotones heráldicos y 1,6 millones de eventos de detección de fotones fluorescentes heráldicos para asegurarse de que las observaciones sólo podían atribuirse a la absorción de un solo fotón y de que ningún otro factor influía en los resultados.

   "Creo que lo primero es que este experimento ha demostrado que realmente se pueden hacer cosas con fotones individuales. Eso es muy, muy importante --afirma 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".