T30. Molecular Dynamics in Photosynthesis by René A. Nome, UNICAMP, SP, Brasil

Image taken from: http://biology4.wustl.edu/faculty/blankenship/index.html

Some of the earliest sources of power used by man include its own muscles, domesticated animals, water-mills, wind-mills, and various mechanical devices. It was not until relatively recently that man began exploiting carbon as the source of our motive force, first through the use of coal and then extracting carbon buried in geological strata. On the other hand, in the last ~ 4 billion years nature has been experimenting with the "solar-mill" known as photosynthesis. It is interesting to learn more about nature's experience with sustainable energy production.

The basic equation of photosynthesis is:
This chemical equation summarizes the energetics of the entire process, but photosynthesis is not a single reaction. Rather, it is a complicated process that involves many proteins cooperating to harvest sunlight and convert it to chemical energy.

Studies of mechanisms and energetics of photosynthesis at the molecular level provide unprecedented insights that help explain the efficiency of photosynthetic light harvesting and energy transduction. For example, sophisticated techniques in molecular biology, crystallography and spectroscopy have helped map the coupled space-energy landscape of many photosynthetic organisms. Sunlight energy is captured by pigment-proteins complexes and subsequently funneled in antenna complexes to the reaction centers where photochemistry takes place. Typical timescales for energy transfer within photosynthetic antennas are on the order of hundreds of femtoseconds, and energy transfer dynamics in photosynthesis are some of the fastest events ever recorded by man.

Would the average farmer be interested on the insights gained from ultrafast spectroscopy experiments? For example, sugarcane grows on a time scale of ~50 weeks, many orders of magnitude greater than the femtosecond time scale. Somewhat surprisingly, femtosecond dynamics are essential for efficient photosynthesis, at least for two reasons. First, slower energy transfer from antenna pigments to reaction centers would mean a decrease in efficiency due to energy being dissipated as heat, light, or other degradating chemical reactions. Second, energy transfer is performed by pigments that are present in large quantities in light-harvesting complexes; although they are numerous, pigments have simple structures when compared with other components such as photosystem I and II. Sugarcane could have evolved to increase the expression of complex components but somehow expression of simple pigment molecules was favored instead. Either way one would expect an increase in photosynthetic efficiency, but pigment expression is much less demanding than photosystem II expression, for instance. By precisely positioning these multiple pigments inside light-harvesting complexes, nearly 100% efficient energy transfer can occur on an ultrashort timescale no matter how far from the reaction center was sunlight initially absorbed. It could be interesting to integrate agriculture, biology, and spectroscopy into a multi-scale approach to understanding photosynthesis.


DINÂMICA MOLECULAR NA FOTOSSÍNTESE
René A. Nome, UNICAMP, SP, Brasil

Image taken from: http://biology4.wustl.edu/faculty/blankenship/index.html

Algumas das primeiras fontes de energia usadas pelo homem incluem seus próprios músculos, animais domesticados, moinho d'água, moinhos de vento, e vários dispositivos mecânicos. Foi apenas recentemente que o homem começou a explorar o carbono como fonte de nossa força motriz. Primeiro através do uso de carvão e, em seguida, extraindo o carvão enterrado em camadas geológicas. Por outro lado, nos últimos ~ 4 bilhões de anos, a natureza tem feito experiências com o "moinho solar", conhecida como fotossíntese. É interessante saber mais sobre a experiência da natureza com a produção de energia sustentável.

A equação básica da fotossíntese é:

Esta equação química resume o fluxo e transformação de energia em todo o processo, mas a fotossíntese não é uma reação simples. Pelo contrário, é um processo complicado que envolve muitas proteínas cooperando para coletar a luz solar e convertê-la em energia química.

Estudos dos mecanismos e das transferência de energia da fotossíntese no nível molecular fornecem informações inéditas que ajudam a explicar a eficiência de coleta de luz fotossintética e transdução em energia. Por exemplo, técnicas sofisticadas de biologia molecular, cristalografia e espectroscopia têm ajudado a mapear o cenário do acoplamento energia-espaço de muitos organismos fotossintéticos. Energia solar é captada por complexos formados entre pigmentos e proteínas e, posteriormente, canalizada através de "complexos antena", para os centros de reação onde ocorre a fotoquímica. Prazos típicos para a transferência de energia dentro de antenas fotossintética são da ordem de centenas de femtosegundos, e a dinâmica de transferência de energia na fotossíntese corresponde a um dos processos mais rápidos já registrados pelo homem.

O agricultor médio estaria interessado no conhecimento obtido a partir de experimentos de espectroscopia ultra-rápida? Por exemplo, a cana cresce em uma escala de tempo de aproximadamente 50 semanas, muitas ordens de magnitude maior do que a escala de tempo de femtossegundos. Surpreendentemente, a dinâmica em femtosegundos é essencial para a eficiência da fotossíntese, pelo menos por duas razões.Primeiro, a transferência mais lenta de energia a partir de pigmentos antena para centros de reação resultaria em uma diminuição na eficiência devido à energia que estaria sendo dissipada como calor, luz ou outras reações químicas de degradação.

Segundo, a transferência de energia é realizada por pigmentos que estão presentes em grandes quantidades nos complexos coletores de luz, embora eles sejam numerosos, os pigmentos têm estruturas simples especialmente quando comparados com outros componentes, como os fotossistemas I e II. A cana de açúcar poderia ter evoluído para aumentar a expressão de componentes complexos, mas de alguma forma, a expressão de pigmentos moleculares simples foi favorecida. De qualquer forma seria de se esperar um aumento na eficiência fotossintética mas, a expressão do pigmentos é muito menos exigente do que a expressão de, por exemplo, o fotossistema II. Posicionando com grande precisão esses múltiplos pigmentos, dentro dos complexos coletores de luz, quase 100% de eficiência na transferência de energia pode ser realizada em uma escala de tempo ultracurto, não importa o quão longe esteja o centro de reação do local de absorção da luz solar.

Seria interessante integrar a agricultura, biologia e espectroscopia em uma abordagem multi-escala para a compreensão da fotossíntese.