O estudo revela a razão pela qual os primeiros movimentos dos elétrons, fundamentais para a transferência de energia, ocorrem apenas de um lado de uma estrutura crucial composta por proteínas e pigmentos. As descobertas foram publicadas nos Anais da Academia Nacional de Ciências.

A fotossíntese consiste em uma sequência de reações em que elétrons são transferidos entre várias moléculas de pigmento. Embora tenha sido investigada por décadas, o processo ainda é difícil de explicar completamente, pois envolve muitos componentes complexos, opera em escalas de tempo extremamente rápidas e apresenta variações sutis entre diferentes espécies. Entender melhor essas etapas pode ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais eficientes, como folhas sintéticas e tecnologias de combustível solar, que imitam o design da natureza.

Na maioria das formas de vida que realizam fotossíntese, o processo começa com um complexo de proteínas e pigmentos conhecido como Fotossistema II (PSII). Este complexo capta luz solar e decompõe moléculas de água, liberando oxigênio e enviando elétrons para outras moléculas na cadeia de transferência de energia.

O PSII possui duas ramificações quase idênticas, denominadas D1 e D2, rodeadas por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitinas. Estes estão dispostos simetricamente e conectados a transportadores de elétrons conhecidos como plastoquinonas. Em teoria, os elétrons deveriam se mover da clorofila para a feofitina e, em seguida, para a plastoquinona ao longo de ambas as ramificações.

No entanto, experimentos têm mostrado de forma consistente que os elétrons se deslocam apenas pela ramificação D1 — uma constatação que tem perplexado os cientistas ao longo dos anos. “Apesar da simetria estrutural entre os ramos D1 e D2 no PSII, apenas o ramo D1 é funcionalmente ativo”, explica Aditya Kumar Mandal, autor principal do estudo e estudante de doutorado no Departamento de Física do IISc.

Para investigar esse desequilíbrio, a equipe combinou simulações de dinâmica molecular, análises quânticas e a teoria de Marcus (um modelo premiado com o Nobel que descreve como os elétrons são transferidos) para mapear os padrões de energia em ambos os caminhos. “Avaliamo o desempenho da transferência de elétrons passo a passo por ambas as ramificações D1 e D2”, diz Shubham Basera, estudante de doutorado do Departamento de Física e um dos autores.

A equipe descobriu que a ramificação D2 apresenta uma barreira de energia muito mais alta, tornando o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a transferência de elétrons da feofitina para a plastoquinona em D2 requer o dobro da energia de ativação necessária em D1 — uma barreira que os elétrons parecem incapazes de superar, impedindo o fluxo de energia para frente.

Os pesquisadores também simularam as características corrente-voltagem de ambas as ramificações e descobriram que a resistência ao movimento de elétrons em D2 era duas ordens de magnitude maior do que em D1.

A assimetria no fluxo de elétrons pode também ser influenciada por sutis diferenças no ambiente proteico ao redor do PSII e na forma como os pigmentos estão integrados nele, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o pigmento de clorofila em D1 tem um estado de excitação em uma energia mais baixa do que seu equivalente em D2, sugerindo que o pigmento D1 tem mais chances de atrair e transferir elétrons.

Os pesquisadores também sugerem que modificar alguns desses componentes pode aumentar ou reconfigurar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, trocar a clorofila e a feofitina em D2 poderia superar o bloqueio de elétrons, uma vez que a clorofila requer uma energia de ativação menor do que a feofitina.

“Nossa pesquisa representa um avanço significativo na compreensão da fotossíntese natural”, afirma Prabal K Maiti, professor do Departamento de Física e um dos autores correspondentes do estudo. “Essas descobertas podem auxiliar na concepção de sistemas fotossintéticos artificiais eficientes capazes de converter a energia solar em combustíveis químicos, contribuindo para soluções inovadoras e sustentáveis de energia renovável.”

“É uma maravilhosa combinação de teorias em diversos níveis para abordar um problema de longa data, resultando em um novo nível de entendimento, mas ainda deixando mistérios a serem desafiados”, afirma Bill Goddard, professor do Caltech e um dos autores correspondentes.