La coherencia cuántica entre excitones clave en el transporte de carga en el fotosistema II de la fotosíntesis oxigénica

Por Francisco R. Villatoro, el 15 julio, 2014. Categoría(s): Bioquímica • Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Química • Science ✎ 3

Dibujo20140715 Exciton-CT state configuration and coherent energy-level scheme - nature nphys

Dos nuevos artículos publicados en Nature Physics y Nature Chemistry desvelan que la coherencia cuántica tiene un papel en la fotosíntesis mucho más importante de lo que se pensaba. La fotosíntesis oxigénica se produce gracias al fotosistema II (PSII) que usa la luz solar para oxidar agua y producir oxígeno. El agua actúa como donador de electrones que tras pasar por una cadena de transportadores (sistemas redox) acaban siendo aceptados por el NADP+.

Uno de los artículos ha observado la dinámica coherente en el PSII a una escala de picosegundos (ps) a una temperatura de 77 K gracias a la espectroscopia electrónica bidimensional (2DES). El otro artículo combina medidas experimentales de hasta 50 ps a 80 K con su descripción teórica mediante la teoría de Redfield. Gracias a ello confirma que los estados coherentes entre excitones y las vibraciones moleculares son fundamentales para la eficiencia en el transporte de carga que ocurre en el PSII.

Ambos trabajos serán fuente de inspiración para el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas que usen la fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno, quizás el vector de energía de la segunda mitad del siglo XXI. Los dos artículos técnicos son Franklin D. Fuller et al., “Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis,” Nature Chemistry, AOP 13 Jul 2014 [DOI] (arXiv:1310.1111 [physics.bio-ph]), y Elisabet Romero et al., “Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion,” Nature Physics, AOP 13 Jul 2014 [DOI].

Dibujo20140715 structure of the d1d2 cytb559 psii - nature nchem

Supongo que ya sabes que el oxígeno que respiras en la Tierra tuvo su origen hace unos 3450 millones de años gracias a la fotosíntesis oxigénica de las primeras cianobacterias. Este tipo de fotosíntesis se produce gracias al fotosistema II (llamado PSII) que absorbe luz solar a 680 nm (color rojo) para oxidar al agua y producir oxígeno. El agua actúa como donador de electrones y protones que tras pasar por una cadena de transportadores (sistemas redox) acaban siendo aceptados por NADP+ que se reduce a NADPH. Más tarde, el NADPH se usa en el ciclo de Calvin para reducir CO2 y formar carbohidratos.

El artículo de Fuller et al. en Nature Chemistry aprovecha que la 2DES permite medir la frecuencia de los excitones (cuasipartículas formadas por un electrón y un hueco) en el centro de reacción del PSII (PSII-RC). Se han usados pulsos láser de 12 fs (femtosegundos), porque los estudios previos con pulsos de 25 fs no fueron suficientes para decidir si la coherencia cuántica estaba presente.

Dibujo20140715 2DES of the photosystem II reaction centre at 77 K revealing coherent dynamics at a number of frequencies - nature nchem

Esta figura del espectro 2DES en el PSII-RC tras 170 fs muestra la amplitud de la coherencia cuántica entre las frecuencias de excitación (eje horizontal) y detección (eje vertical).  Se observan varios lugares (de 1 a 4) donde se hay una fuerte coherencia cuántica que se mantiene durante todo el tiempo de observación. Sin entrar en detalles técnicos, lo más relevante es la larga vida de esta coherencia cuántica, suficiente para justificar su importante papel en en el transporte de carga en el PSII y en la fotosíntesis oxidativa.

Dibujo20140715 Experimental and calculated PSII RC real rephasing 2D spectra at 80 K - nature nphys

El artículo de Romero et al. en Nature Physics trata de dilucidar el papel de la coherencia cuántica en la eficiencia de la separación de carga que ocurre en el PSII. Presenta observaciones con 2DES de largo tiempo (hasta 50 ps) a una temperatura de 80 K en el PSII-RC. Los resultados experimentales son comparados con las predicciones de simulaciones numéricas basadas en la teoría de Redfield. Esta teoría permite estudiar los procesos coherentes e incoherentes que ocurren en las moléculas, y en concreto el acoplamiento débil entre los excitones y los modos vibracionales. El buen acuerdo entre experimento y teoría confirma que la coherencia cuántica entre los excitones y entre los excitones y las vibraciones moleculares son claves en la eficiencia del transporte de carga en el PSII.



3 Comentarios

  1. Un par de minicomentarios (y autopublicidad)

    1. Los enlaces a Nature no van bien.

    2. Aunque no se suele mencionar hay un pequeño debate sobre si la coherencia que se aprecia es de carácter electrónico o si proviene de las vibraciones de la red. El principal, y casi único, defensor de la segunda hipótesis es Tomas Mancal, que se dedica a hacer modelos que simulen estos resultados pero con énfasis en la parte vibracional.

    http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jp304649c

    Tristemente, en la comunidad el debate es escaso y la mayoría de la gente se limita a ignorar los trabajos de Mancal.

    3. Otro debate interesante es si estos efectos tienen algo que ver con la fotosíntesis en sí. La diferencia principal es que todos estos experimentos se realizan con láseres, que emiten luz coherente, mientras que en la fotosíntesis la luz proviene del sol, que es una fuente coherente. En este caso el principal crítico con la extrapolación de estos resultados a la fotosíntesis en sí es Paul Brummer (junto con Moshe Shapiro, recientemente fallecido)

    http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jp304649c

    En este caso la comunidad vuelve a evitar el debate e ignora bastante el artículo de Brummer.

    4. En Diciembre tenemos el congreso anual del tema, que lo organizamos este año en Singapur.

    http://web.mit.edu/jianshucaogroup/quebs2014.html

    La gente suele ser bastante fiel al congreso, así que es probable que estén por allí Romero, Van Grondelle, Brumer, Mancal y demás. Imagino que se darán charlas sobre todos estos temas, y espero que haya un debate más activo. Aunque no trabajéis activamente en el campo os puede interesar asistir, y Singapur es una ciudad genial. Además, los españoles somos fieles a nuestra naturaleza y siempre aprovechamos para ir un poco de fiesta. No os lo perdáis.

      1. Vaya, se cumple la norma de que todo aquel que corrige un fallo comete un fallo él mismo, 🙂

        Este es el artículo

        http://www.pnas.org/content/109/48/19575.full.pdf+html?sid=2e0fb648-e2e5-4cd6-abc5-14c298882fa0

        En cuanto a la eficiencia en un sistema en el que hay un estado estacionario también se estudió poco después del artículo de Brumer, aunque esto fue hecho por un humilde postdoc

        http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0057041#pone-0057041-g006

        En cuanto a la temperatura. La eficiencia del complejo en el proceso fotosintético se mide en otro tipo de experimentos, y suele medirse a temperatura ambiente. La coherencia cuántica se midió originalmente a estas temperaturas ultrabajas, pero se volvió a medir a temperatura ambiente con resultados similares.

        http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7281/full/nature08811.html

        Acabo de ver el mail, cuando tenga un momento lo leo con cuidado.

        Un saludo!!

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