Descifran los intrincados procesos de la fotosíntesis mediante una técnica avanzada de microscopía electrónica

Esto permite avances en múltiples áreas de la investigación biológica y química

25.06.2024

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Un equipo de científicos de la Humboldt-Universität zu Berlin (HU), las universidades suecas de Umeå y Uppsala y la Universidad de Potsdam ha logrado visualizar mediante criomicroscopía electrónica estructuras atómicas con una resolución sin precedentes a nivel nanométrico subyacentes al proceso de fotosíntesis. Para el estudio, publicado en la revista Science, el equipo estudió específicamente la estructura proteica conocida como fotosistema II, en la que tiene lugar el primer paso de la fotosíntesis: La luz es absorbida y utilizada como fuente de energía para impulsar la división de las moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones.

Un paso decisivo para comprender la fotosíntesis

La visualización de alta resolución aporta nuevos conocimientos sobre las interacciones de los hidrógenos en el fotosistema II, que son cruciales para la reacción impulsada por la energía luminosa. El equipo, dirigido por la Dra. Rana Hussein y la Prof. Dra. Athina Zouni, del Departamento de Biología de la HU, el Prof. Dr. Wolfgang Schröder, de la Universidad de Umeå, y el Prof. Dr. Johannes Messinger, de la Universidad de Uppsala, ha dado así un paso importante en la comprensión de los complejos procesos de la fotosíntesis.

"Gracias a la criomicroscopía electrónica, ahora podemos observar la ubicación de los hidrógenos en el fotosistema II", explica la profesora Athina Zouni. "Esta visión detallada es crucial para comprender el proceso por el que los organismos que evolucionan con oxígeno convierten la energía luminosa en energía química, un proceso fundamental para la vida en la Tierra".

El Prof. Dr. Holger Dobbek detalla los resultados más importantes del estudio: "Utilizamos la criomicroscopía electrónica para mostrar el fotosistema II con mejor resolución. Esto nos permitió detectar hidrógenos en varios residuos de aminoácidos en los sitios del centro de reacción, proporcionando nueva información sobre la transferencia de electrones y protones en el fotosistema II. Nuestra investigación revela la secuencia de acontecimientos que conducen a la segunda protonación de una plastoquinona B móvil, lo que renueva profundamente nuestra comprensión de la cadena de transporte de electrones en la fotosíntesis".

El método de investigación trasciende el campo de la fotosíntesis

El Dr. Rana Hussein explica: "El enfoque innovador utilizado en este estudio para determinar las posiciones de protones e hidrógenos es esencial para comprender el fotosistema II y tiene un amplio espectro de aplicaciones. Puede aplicarse al estudio de diversas proteínas para descubrir mecanismos relacionados con los hidrógenos. Esto permite realizar avances en múltiples áreas de la investigación biológica y química. Así pues, el método de criomicroscopía electrónica utilizado en este estudio tiene implicaciones que van más allá de la fotosíntesis".

En la criomicroscopía electrónica, los complejos proteicos se enfrían a temperaturas muy bajas, de hasta -260 °C, en fracciones de segundo. Esta congelación de choque impide la formación de cristales de hielo, de modo que las moléculas conservan su forma natural. En el futuro, la visualización de los hidrógenos podría contribuir a comprender otras reacciones bioquímicas fundamentales, como los mecanismos enzimáticos, las interacciones proteína-ligando o la dinámica de las proteínas de membrana.

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Publicación original

Rana Hussein, André Graça, Jack Forsman, A. Orkun Aydin, Michael Hall, Julia Gaetcke, Petko Chernev, Petra Wendler, Holger Dobbek, Johannes Messinger, Athina Zouni, Wolfgang P. Schröder; "Cryo–electron microscopy reveals hydrogen positions and water networks in photosystem II"; Science, Volume 384

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