Un único fotón basta para poner en marcha la fotosíntesis

El descubrimiento, publicado esta semana en 'Nature', refuerza nuestra comprensión actual de la fotosíntesis y ayudará a responder preguntas sobre cómo funciona la vida en la escala más pequeña, donde la física cuántica y la biología se dan la mano.

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«Se ha realizado una gran cantidad de trabajo, teórico y experimental, en todo el mundo tratando de comprender qué sucede después de que se absorbe un fotón -explica Fleming-. Pero nos dimos cuenta de que nadie hablaba del primer paso. Esa era todavía una pregunta que necesitaba ser respondida en detalle».

En la más pequeña de las escalas, la luz que el Sol envía a la Tierra es, literalmente, un continuo goteo de fotones. Decenas de ellos, en efecto, inciden a cada segundo sobre cada nanómetro de la superficie terrestre. Y un nanómetro es precisamente el tamaño de una molécula de clorofila, o de bacterioclorofila, que son las responsables de la fotosíntesis en plantas y bacterias.

En sus laboratorios, los científicos suelen utilizar láseres, que son fuentes de luz mucho más potentes, para iniciar las reacciones, pero Graham y sus colegas decidieron hacer exactamente lo contrario, y usaron una fuente de luz que apenas produce dos fotones cada vez.

«Hay una gran diferencia de intensidad entre un láser y la luz solar -explica Quanwei Li, también de la Universidad de California en Berkeley y coautor del estudio-. Un rayo láser típico es un millón de veces más brillante que la luz solar. Incluso si logras producir un haz débil con una intensidad similar a la de la luz solar, siguen siendo muy diferentes debido a las propiedades cuánticas de la luz. Como nadie había visto cómo se absorbe el fotón, no sabíamos qué tipo de fotón sería. Pero al igual que necesita comprender cada partícula para construir una computadora cuántica, debemos estudiar las propiedades cuánticas de los sistemas vivos para comprenderlos realmente y crear sistemas artificiales eficientes que generen combustibles renovables».

En el experimento de Fleming y sus colegas, el primero de los dos fotones generado por la fuente de luz hizo de 'mensajero' y fue dirigido a un detector para que los científicos supieran que la pareja de fotones, efectivamente, se había liberado.

El segundo fotón, sin embargo, se envió a una solución que contenía estructuras absorbentes de fotones de la bacteria fotosintética Rhodobacter sphaeroides. Estas estructuras, llamadas complejos de captación de luz 2, o LH2, están formadas por dos anillos de bacterioclorofila y otras moléculas.

En una reacción de fotosíntesis normal, LH2 absorbe un fotón y pasa su energía a otro complejo LH2, y luego a otro, como un juego de patata caliente. Hasta que la energía llega a otro tipo de anillo, llamado complejo de recolección de luz 1, o LH1, donde finalmente se convierte en una forma que la bacteria puede usar.

Pero en el experimento de Fleming no había LH1, por lo que LH2 emitió un fotón de una longitud de onda diferente a la primera, una señal de que la energía había sido transferida desde el primer anillo de LH2 al segundo, es decir, un primer paso de la fotosíntesis. Los investigadores detectaron ese segundo fotón y, al comparar los tiempos de detección con los de los fotones mensajeros iniciales, confirmaron que el LH2 necesitaba absorber solo un fotón para comenzar.

Plantas y bacterias usan diferentes procesos para la fotosíntesis, pero según Fleming los pasos iniciales son lo suficientemente similares como para que en ambas baste un solo fotón para desencadenar los pasos iniciales del proceso. Aunque en las plantas se necesitan múltiples fotones absorbidos de forma independiente para completar la reacción.