Compreender o modo como a fotossíntese ocorre, é essencial para permitir o desenvolvimento de combustíveis limpos.
Para desencadear o processo de fotossíntese numa célula vegetal são necessárias apenas quatro partículas de luz (também conhecidas como fotões). Porém, o processo que efetivamente leva à produção de oxigénio permanecia em mistério para a comunidade científica, até agora!
A fotossíntese é o processo celular que ocorre nas plantas e permite transformar luz em oxigénio. É através deste processo que as plantas, algas e algumas bactérias produzem a energia necessária para o seu crescimento.
Compreender o modo como a fotossíntese ocorre, é essencial para permitir o desenvolvimento de combustíveis limpos.
É sabido que são necessárias quatro moléculas de luz, ou fotões, para iniciar o processo de fotossíntese. Estes fotões são absorvidos por um conjunto de átomos de manganês, cálcio e oxigénio, que quebram as moléculas de água existentes nas plantas.
Esta reação química leva à produção de oxigénio e energia. No entanto, os detalhes sobre o que realmente acontece assim que os fotões incidem neste conjunto de átomos tem intrigado os cientistas ao longo das últimas décadas. Mas a ciência já conseguiu levantar o véu deste mistério e estamos cada vez mais próximos de compreender o processo de fotossíntese.
A equipa de Jan Kern, do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, na Califórnia, co-autora de um estudo publicado esta semana na revista Nature, usou a técnica de cristalografia de raio-X de alta energia para “fotografar” o momento de interação entre os fotões e este conjunto de átomos.
Para tal, utilizaram aglomerados de moléculas extraídos de algas verde-azuladas, organizados de forma a que estes fossem os primeiros a ser iluminados com os pulsos de energia.
Assim que o quarto fotão atinge um complexo de proteínas conhecido como Fotossistema II (PSII), as moléculas de água são quebradas em milionésimos de segundo, levando à libertação de oxigénio.
Os raios-X foram suficientemente rápidos para congelar o momento e mostrar o que acontece neste processo. Embora as imagens captadas não tivessem nitidez suficiente para demonstrar a configuração exata dos átomos, os resultados obtidos revelaram algo surpreendente.
A conformação do complexo de proteínas PSII em torno dos átomos de oxigénio revelou que este forma uma nova estrutura, até então desconhecida. Neste estado intermédio, os átomos de oxigénio não estão ligados ao hidrogénio, como acontece na molécula de água, mas sim ligados a uma parte da PSII.
Há, portanto, um estado de transição, que dura um milésimo de segundo, onde o oxigénio larga a molécula de água e passa a estar ligado à PSII.
Esta etapa do processo fotossintético havia sido previamente teorizada, mas nunca, até então, provada experimentalmente, afirmou Jan Kern.
Um outro grupo de investigação, liderado por Holger Dau, da Universidade de Berlim, corresponding author de um outro estudo, também publicado na Nature, tem vindo a estudar o mesmo processo.
Mas em vez de obter imagens de raios-X, recorreu à luz infravermelha para determinar o modo como os eletrões e protões se movem entre os átomos, nesta mesma interação.
Para tal, extraíram a proteína PSII de cerca de 40 quilos de espinafre fresco. Sob esta amostra, incidiram fotões de luz visível e em seguida utilizaram luz infravermelha para ver o que acontecia.
Os investigadores conjugaram os resultados obtidos com simulações realizadas em computador, conduzidas por Leonardo Guidoni da Universidade de L’Aquila, em Itália.
Os resultados revelaram uma nova etapa crucial no processo, em que três protões são trocados por um eletrão entre os átomos de oxigénio e o complexo de proteínas PSII.
Estes dados apoiam os resultados de Jan Kern conseguidos com cristalografia de raio-X. De facto, existe um estado de transição, até então desconhecido, que é fulcral para o processo de fotossíntese.
Ambas as equipas de investigação estão focadas em descobrir ainda mais detalhes, utilizando raios X mais rápidos, amostras de PSII mais limpas e mais ensaios com luz infravermelha.
Guidoni afirma que estas abordagens complementares são essenciais para estudar o processo de fotossíntese. “Quanto mais dados tivermos de todos as experiências, mais próximos estaremos de preencher esta lacuna do processo”, afirma.
Compreender o processo de divisão de água durante a fotossíntese é crucial para desenvolver mecanismos que transformem água em combustíveis de hidrogénio, diz Dimitrios Pantazis, do Instituto Max Planck, na Alemanha.
“Não podemos replicar o sistema biológico diretamente, mas na verdade este é o único sistema que conhecemos que divide a água com tanta eficiência. Portanto, precisamos de descobrir todos os truques da divisão da água que evoluíram ao longo de bilhões de anos”, diz o investigador, citado pela New Scientist.
Embora os combustíveis limpos pareçam uma miragem para muitos, a ciência tem dado largos passos no entendimento da reação química que leva à produção de oxigénio e hidrogénio através de moléculas de água. E este conhecimento é fundamental para desenvolver estratégias de produção de energia verde.
É bem possível que os combustíveis limpos estejam já ao virar da esquina.
Já é sabido à décadas que a energia gerada na fotossíntese provêm do salto quântico dos elétrons nos átomos do magnésio