Espectroscopía 2D ultrarrápida investiga la separación de cargas en el fotosistema de las plantas

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 que desencadena la síntesis de portadores de energía.

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, un electrón es excitado 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.

Para descifrar los complejos fotosintéticos e idear nuevas estrategias fotosintéticas, es clave investigar las rutas que conducen hasta la separación de cargas. Este fenómeno ha sido abordado recientemente en un trabajo conjunto entre los investigadores del ICFO, el Dr. Luca Bolzonello y el Profesor ICREA Niek F. van Hulst, y el IBEC, también en colaboración con la Universidad de Padua y la Vrije Universiteit Amsterdam. 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 ACS Applied Materials and Interfaces.

“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 el Dr. Luca Bolzonello, primer coautor del artículo.

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 sistemas fotosintéticos complejos. 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.

Primero, desarrollaron el sistema fotoelectroquímico (PEC) para medir la corriente generada por los complejos PSI-LHCI. Luego, integraron este sistema con un sistema de espectroscopía electrónica bidimensional (2DES). Esta combinación sin precedentes de PEC y 2DES dio lugar a la técnica PEC2DES presentada en su estudio, que por primera vez identificó las cargas generadas durante la separación de cargas.

“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”.

Perspectivas futuras: hacia sistemas fotosintéticos artificiales

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.

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. Bolzonello 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”.

Referencia:

Manuel López-Ortiz, Luca Bolzonello, Matteo Bruschi, Elisa Fresch, Elisabetta Collini, Chen Hu, Roberta Croce, Niek F. van Hulst, y Pau Gorostiza. ACS Applied Materials & Interfaces 2024 16 (33), 43451-43461. DOI: 10.1021/acsami.4c03652