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Uma equipe internacional de físicos, químicos e biólogos, liderada pela Universidade de Cambridge, conseguiu estudar a fotossíntese – o processo pelo qual plantas, algas e algumas bactérias convertem a luz solar em energia – em células vivas em uma escala de tempo ultrarrápida: um milionésimo de um milionésimo de segundo.
Apesar de ser um dos processos mais conhecidos e estudados da Terra, os pesquisadores descobriram que a fotossíntese ainda tem segredos para contar. Usando técnicas espectroscópicas ultrarrápidas para estudar o movimento da energia, os pesquisadores descobriram que os produtos químicos que podem extrair elétrons das estruturas moleculares responsáveis pela fotossíntese o fazem nos estágios iniciais, e não muito mais tarde, como se pensava anteriormente. Essa “religação” da fotossíntese pode melhorar as formas como ela lida com o excesso de energia e criar formas novas e mais eficientes de usar seu poder. Os resultados são relatados na revista Nature .
“Não sabíamos tanto sobre a fotossíntese quanto pensávamos, e a nova via de transferência de elétrons que encontramos aqui é completamente surpreendente”, disse Jenny Zhang, do Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que coordenou a pesquisa.
Embora a fotossíntese seja um processo natural, os cientistas também estudam como ela pode ser usada para ajudar a enfrentar a crise climática, imitando os processos fotossintéticos para gerar combustíveis limpos a partir da luz solar e da água, por exemplo.
Zhang e seus colegas estavam originalmente tentando entender por que uma molécula em forma de anel chamada quinona é capaz de “roubar” elétrons da fotossíntese. As quinonas são comuns na natureza e podem aceitar e doar elétrons facilmente. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada espectroscopia de absorção transiente ultrarrápida para estudar como as quinonas se comportam em cianobactérias fotossintéticas.
“Ninguém estudou adequadamente como essa molécula interage com as máquinas fotossintéticas em um ponto tão inicial da fotossíntese: pensamos que estávamos apenas usando uma nova técnica para confirmar o que já sabíamos”, disse Zhang. “Em vez disso, encontramos um caminho totalmente novo e abrimos um pouco mais a caixa preta da fotossíntese”.
Usando espectroscopia ultrarrápida para observar os elétrons, os pesquisadores descobriram que o andaime da proteína onde ocorrem as reações químicas iniciais da fotossíntese é ‘vazante’, permitindo que os elétrons escapem. Esse vazamento pode ajudar as plantas a se protegerem dos danos causados pela luz brilhante ou que muda rapidamente.
“A física da fotossíntese é realmente impressionante”, disse o co-primeiro autor Tomi Baikie, do Laboratório Cavendish de Cambridge “Normalmente, trabalhamos com materiais altamente ordenados, mas observar o transporte de carga através das células abre oportunidades notáveis para novas descobertas sobre como a natureza opera. “
“Como os elétrons da fotossíntese estão dispersos por todo o sistema, isso significa que podemos acessá-los”, disse a co-autora Dra. Laura Wey, que fez o trabalho no Departamento de Bioquímica e agora trabalha na Universidade de Turku. Finlândia. “O fato de não sabermos que esse caminho existia é empolgante, porque poderíamos aproveitá-lo para extrair mais energia para fontes renováveis”.
Os pesquisadores dizem que ser capaz de extrair cargas em um ponto anterior do processo de fotossíntese pode tornar o processo mais eficiente ao manipular as vias fotossintéticas para gerar combustíveis limpos do Sol. Além disso, a capacidade de regular a fotossíntese pode significar que as culturas podem ser mais capazes de tolerar a luz solar intensa.
“Muitos cientistas tentaram extrair elétrons de um ponto anterior da fotossíntese, mas disseram que não era possível porque a energia está tão enterrada no andaime da proteína”, disse Zhang. “O fato de podermos roubá-los em um processo anterior é alucinante. No início, pensamos que tínhamos cometido um erro: demoramos um pouco para nos convencermos de que tínhamos feito isso.”
A chave para a descoberta foi o uso da espectroscopia ultrarrápida, que permitiu aos pesquisadores seguir o fluxo de energia nas células fotossintéticas vivas em uma escala de femtossegundos – um milésimo de trilionésimo de segundo.
“O uso desses métodos ultrarrápidos nos permitiu entender mais sobre os primeiros eventos da fotossíntese, dos quais depende a vida na Terra”, disse o co-autor Professor Christopher Howe, do Departamento de Bioquímica.
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI), bem como o Programa Winton para a Física da Sustentabilidade na Universidade de Cambridge, o Cambridge Commonwealth, European & International Trust e o programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia. Jenny Zhang é bolsista David Phillips no Yusuf Hamied Department of Chemistry e bolsista do Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie é NanoFutures Fellow no Cavendish Laboratory. Laura Wey é bolsista de pós-doutorado da Fundação Novo Nordisk na Universidade de Turku.
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