Un equipo de investigación liderado por IBEC e ICFO ha desarrollado y validado una nueva técnica de espectroscopía de electrones fotoelectroquímica para investigar la dinámica de separación de cargas, un paso crucial de la fotosíntesis, en complejos fotosintéticos.
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual algunos organismos (por ejemplo, plantas, algas y algunas bacterias) transforman la energía lumínica en energía química. Este proceso comienza con la absorción de luz (fotones) por parte de ciertos pigmentos (principalmente clorofila) y termina con un flujo de electrones en el que se sustentan las reacciones bioquímicas que hacen posible la vida en la tierra.
Un paso intermedio que aún no se ha explorado directamente, principalmente porque ocurre en escalas de tiempo ultrarrápidas, es la llamada separación de cargas. Una vez que el pigmento absorbe un fotón, se excita un electrón a un nivel de energía superior. Esta energía adicional se transfiere a ubicaciones específicas, llamadas centros de reacción, provocando que, de nuevo, un electrón de la clorofila en esos centros se excite y se transfiera a otro complejo (la molécula aceptora). Como resultado, la clorofila se carga positivamente, lo que significa que ha ocurrido la separación de cargas. Esta diferencia de carga es crucial porque establece un flujo de electrones de alta energía que impulsará el resto del proceso fotosintético.
Creo que nuestros resultados son muy significativos porque hemos proporcionado una nueva forma de acceder directamente a los procesos de separación de cargas, que son cruciales para entender la fotosíntesis.
Luca Bolzonello
Para descifrar los complejos fotosintéticos e idear nuevas estrategias fotosintéticas, es clave investigar las rutas que conducen hasta la separación de cargas. Este fenómeno se ha abordado recientemente en un trabajo conjunto entre investigadores del ICFO y del IBEC, también en colaboración con la Universidad de Padua y la Universidad Libre de Ámsterdam. El equipo ha desarrollado y validado una nueva técnica de Espectroscopía Electrónica Bidimensional Fotoelectroquímica (PEC2DES, por las siglas en inglés), que permite investigar directamente la dinámica de la separación de cargas en complejos fotosintéticos. Su método fue presentado en la revista científica ACS Applied Materials and Interfaces.
Según los investigadores, el descubrimiento podría utilizarse en dispositivos biohíbridos y sensores que dependen del control preciso y la comprensión de los procesos de transferencia de electrones dentro de ensamblajes de proteínas complejos. El Dr. Luca Bolzonello, investigador del ICFO i coprimer autor del artículo, también sugiere que una de las aplicaciones prometedoras de PEC2DES podría ser “el diseño y la optimización de sistemas fotosintéticos artificiales, lo que a su vez podría mejorar la eficiencia de la conversión de energía solar”.
“Creo que nuestros resultados son muy significativos porque hemos proporcionado una nueva forma de acceder directamente a los procesos de separación de cargas, que son cruciales para entender la fotosíntesis”, destaca Bolzonello.
A diferencia de los métodos ópticos tradicionales, PEC2DES combina de manera única la detección fotoelectroquímica (PEC) con la espectroscopía no lineal (2DES), permitiendo investigar el evento de la separación de cargas de manera selectiva y revelando pistas importantes sobre las dinámicas de excitación y transferencia de cargas dentro de complejos fotosintéticos. Más importante aún, esta técnica puede estudiar la dinámica ultrarrápida de los excitones dentro del sistema con sólo medir directamente el producto de la fotosíntesis, es decir, las cargas eléctricas que se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones.
Combinando PEC y 2DES para obtener PEC2DES
Para validar su método, los investigadores utilizaron el Complejo Fotosistema I-Complejo de Captación de Luz I (PSI-LHCI, por las siglas en inglés) como sistema modelo, donde la absorción de luz por ‘clorofilas de antena’ se utiliza para impulsar la separación de cargas en el centro de reacción. “En el IBEC llevamos años estudiando cómo las proteínas intercambian electrones, un proceso fundamental para el metabolismo de las células. Este conocimiento nos ayudó a desarrollar un método para captar los electrones que produce el Complejo Fotosistema-I al ser iluminado.» Apunta Manuel López, coprimer autor del estudio que defendió recientemente su tesis doctoral en el IBEC.
En el IBEC llevamos años estudiando cómo las proteínas intercambian electrones, un proceso fundamental para el metabolismo de las células. Este conocimiento nos ayudó a desarrollar un método para captar los electrones que produce el Complejo Fotosistema-I al ser iluminado.
Manuel López
Primero, desarrollaron el sistema fotoelectroquímico (PEC) en el IBEC para medir la corriente generada por los complejos PSI-LHCI. Luego, integraron este sistema con un sistema de espectroscopía electrónica bidimensional (2DES) en ICFO. Tal y como detalla López: “El desafío de este proyecto no solo consiste en cuantificar la corriente eléctrica generada por el Fotosistema I, sino en hacerlo con la precisión necesaria para desvelar los sutiles procesos de migración de excitaciones entre las clorofilas. Con las medidas de corriente, buscamos obtener información sobre cómo las clorofilas excitadas transfieren su energía al centro de reacción donde la energía de excitación se transforma en pares de carga eléctrica.” Esta combinación sin precedentes de PEC y 2DES dio lugar a la técnica PEC2DES presentada en su estudio, que por primera vez cuantificó las cargas generadas por la interacción de fotones en los pigmentos de una proteína fotosintética.
“Los principales obstáculos que encontramos fueron la necesidad de mantener la estabilidad de la muestra durante largos períodos de tiempo, algo que las mediciones de 2DES siempre requieren, y la dificultad de interpretar la señal PEC2DES”, recuerda Bolzonello. “Aunque descubrimos que la técnica es ciega ante algunas características ultrarrápidas, hemos allanado el camino para resolver dichos problemas”.
Future perspectives: toward artificial photosynthetic systems
El equipo acaba de abrir la puerta para rastrear la dinámica ultrarrápida de los procesos de separación de cargas con la técnica PEC2DES. En un futuro cercano, les gustaría perfeccionar su herramienta identificando y minimizando los efectos de la mezcla incoherente, un fenómeno no deseado que contamina el objeto de estudio, en este caso, la dinámica de separación de cargas. También consideran explorar la aplicación de esta técnica a otros complejos fotosintéticos o dirigirla a sistemas artificiales donde el efecto de la mezcla incoherente, la principal limitación de esta nueva técnica se minimice.
Esta investigación ha sido liderada por los Profesores de Investigación ICREA Pau Gorostiza, investigador principal en el IBEC, y Niek F. van Hulst, investigador principal en ICFO. Además, forma parte del proyecto Q-SPET financiado por el programa BIST Ignite, que busca fomentar la colaboración entre investigadores e investigadoras de la comunidad BIST.
Artículo referenciado:
Manuel López-Ortiz, Luca Bolzonello, Matteo Bruschi, Elisa Fresch, Elisabetta Collini, Chen Hu, Roberta Croce, Niek F. van Hulst, y Pau Gorostiza. Photoelectrochemical Two-Dimensional Electronic Spectroscopy (PEC2DES) of Photosystem I: Charge Separation Dynamics Hidden in a Multichromophoric Landscape. ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c03652
