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PROJETANDO MATERIAIS PARA FOTOSSÍNTESE ARTIFICIAL

PROJETANDO MATERIAIS PARA FOTOSSÍNTESE ARTIFICIAL

Edição Vol. 4, N. 7, 16 de Março de 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2017.03.16.003

Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo modelo que poderia ajudar cientistas a projetar materiais para a fotossíntese artificial.

Plantas e outros organismos fotossintéticos usam uma grande variedade de pigmentos para absorver diferentes comprimentos de onda de luz. Os pesquisadores do MIT, liderados pela professora Dra. Aurelia Chenu, desenvolveram um modelo teórico para prever o espectro de luz absorvido pelos agregados destes pigmentos, com base na sua estrutura (1).

O novo modelo poderia ajudar a guiar os cientistas na concepção de novos tipos de células solares feitas de materiais orgânicos, que capturam de forma eficiente a luz e afunilam a excitação induzida pela luz, de acordo com os pesquisadores (1). Esse é mais um exemplo de que a ciência básica proporciona novos caminhos para se descobrir produtos dirigidos a novos mercados com potencial de render bilhões de dólares à nação que investe em Ciências, Tecnologia e Inovações! Esse é o papel do Instituto Nanocell.

Entender a interação sensível entre a superestrutura de pigmento auto-montada e suas propriedades eletrônicas, ópticas e de transporte é altamente desejável para a síntese de novos materiais e o projeto e operação de dispositivos orgânicos. 

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Figura 1: Como os pigmentos fotossintéticos coletam a luz. Esta antena fotossintética consiste de vários pigmentos, que coletam energia luminosa, e suas proteínas associadas.

A fotossíntese, realizada por todas as plantas e algas, bem como alguns tipos de bactérias, permite que os organismos aproveitem a energia da luz solar para construir açúcares e amidos. A chave para este processo é a captura de fótons únicos de luz por pigmentos fotossintéticos e a subsequente transferência da excitação para os centros de reação, o ponto de partida da conversão química. A clorofila, que absorve luz azul e vermelha, é o exemplo mais conhecido, mas há muitos outros, como os carotenoides, que absorvem luz azul e verde, bem como outros especializados para capturar a escassa luz disponível no fundo do oceano.

Estes pigmentos servem como blocos de construção que podem ser dispostos de diferentes maneiras para criar estruturas conhecidas como complexos de captura de luz, ou antenas, que absorvem diferentes comprimentos de onda de luz dependendo da composição dos pigmentos e como estes são montados.

A natureza tem dominado esta arte, evoluindo a partir de um número muito limitado de blocos de construção uma impressionante diversidade de complexos fotossintéticos de captura de luz, que são altamente versáteis e eficientes.

Estas antenas são incorporadas ou ligadas a membranas dentro de estruturas celulares chamadas cloroplastos. Quando um pigmento capta um fóton de luz, um de seus elétrons fica excitado para um nível de energia mais alto e essa excitação é passada para pigmentos próximos ao longo de uma rede que eventualmente leva ao centro de reação. A partir desse centro, a carga disponível viaja ainda mais através da maquinaria fotossintética para eventualmente conduzir a transformação de dióxido de carbono em açúcar através de um ciclo de reações químicas (Figura 2).

A Dra Chenu e o Dr Jianshu Cao, professor de Química do MIT, queriam explorar como a organização de diferentes pigmentos determina as propriedades ópticas e elétricas de cada antena. Este não é um processo direto porque cada pigmento é cercado por proteínas que afinam o comprimento de onda do fóton emitido. Estas proteínas também influenciam a transferência de excitação e induzem que parte da energia possa se dissipar como esta flui de um pigmento para o próximo (1).

O novo modelo de Chenu e Cao usa medidas experimentais do espectro de luz absorvido por diferentes moléculas de pigmento e suas proteínas circundantes. Utilizando esta informação como entrada, o modelo pode prever o espectro de luz absorvido por qualquer agregação, dependendo dos tipos de pigmentos que compreende. O modelo também pode prever a taxa de transferência de energia entre cada agregado (1).

Esta técnica tem uma longa história na física, e os teóricos já a aplicaram ao estudo de sólidos desordenados, líquidos dipolares e outros sistemas.

Este trabalho representa uma nova extensão desta técnica para tratar flutuações dinâmicas decorrentes do acoplamento entre pigmentos e ambientes proteicos (1).

O modelo fornece, pela primeira vez, uma ligação sistemática entre a estrutura das antenas e as suas propriedades ópticas e eléctricas. Os cientistas que trabalham na concepção de materiais que absorvem a luz, usando pontos quânticos ou outros tipos de materiais sensíveis à luz, poderiam usar este modelo para ajudar a prever que tipos de luz serão absorvidos e como a energia fluirá através dos materiais, de acordo com a estrutura da antena (1).

O objetivo de longo prazo seria ter princípios de design para a captura de luz artificial. Se entendermos o processo natural, então poderemos inferir qual é a estrutura subjacente ideal, como o acoplamento entre pigmentos.

Os pesquisadores estão agora trabalhando na aplicação do modelo a uma antena fotossintética conhecida como phycobilisome (ficobilisoma), que é o complexo de captura de luz encontrado na maioria das cianobactérias, bem como em nanoestruturas tais como, polímeros, filmes finos e nanotubos.

FASES DA FOTOSSÍNTESE

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Figura 2: Fases da fotossíntese: A fase fotoquímica, fase luminosa ou fase clara (fase dependente da luz solar) é a primeira fase do processo fotossintético. Essa fase ocorre nos tilacoides. Seu evento principal é a fotofosforilação, que é a adição de fosfato inorgânico (Pi) ao difosfato de adenosina (ADP). A energia luminosa é captada por meio de pigmentos fotossintetizantes, capazes de conduzi-la até o centro de reação. Tal centro é composto por um par de clorofilas α, também denominado P700. Os elétrons excitados da P700 saem da molécula e são transferidos para uma primeira substância aceptora de elétrons, a ferredoxina. Esta logo os transfere para outra substância, e assim por diante, formando uma cadeia de transporte de elétrons. Tais substâncias aceptoras estão presentes na membrana do tilacoide. Nessa transferência entre os aceptores, os elétrons vão liberando energia gradativamente e esta é aproveitada para transportar hidrogênio iônico de fora para dentro do tilacoide, reduzindo o pH do interior deste. A redução do pH ativa o complexo proteico “ATP sintetase”. O fluxo de hidrogênios iônicos através do complexo gira, em seu interior, uma espécie de “turbina proteica”, que promove a fosforilação de moléculas de adenosina difosfato dando origem à adenosina trifosfato (ATP). Ao chegarem ao último aceptor, os elétrons têm nível energético suficientemente baixo e retornam ao par de clorofilas α, fala-se em fotofosforilação cíclica.

Porém, existe outra forma de fosforilação, a fotofosforilação acíclica onde os elétrons das moléculas de clorofila α (P700), excitados pela luz, são captados pela ferredoxina, mas ao em vez de passarem pela cadeia transportadora são captados pelo NADP (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato) e não retornam para o P700. Este fica temporariamente deficiente de elétrons. Esses elétrons são repostos por outros provenientes de outro, em seguida passa aos citocromos e plastocianina até serem captados pelo P700, que se recompõe. Este processo de transporte também promove a síntese do (ATP). Já o P680 fica deficiente de elétrons. Esses elétrons serão repostos pela fotólise da água. A quebra da molécula da água por radiação (fotólise da água) produz íons de hidrogênios e hidróxidos. Os elétrons dos íons hidróxidos são utilizados para recompor o P680 e os íons hidrogênio são aceitados pelo NADP, com isso ocorre a formação de água oxigenada (H2O2) oriunda da reação de síntese entre as hidroxilas. A água oxigenada é decomposta pela célula em água e O2 sendo este último liberado do processo como resíduo. Com a repetição do processo forma-se o aporte energético e de NADPHs necessários para a fase escura.

Equação: 12H2O + 6NADP + 9ADP + 9P -(luz)→ 9ATP + 6NADPH2 + 3O2+ 6H2O

CICLO DE CALVIN E FIXAÇÃO DO CARBONO

A fase química ou “fase escura” é um ciclo descoberto pelos cientistas Melvin Calvin, Andrew Benson e James Bassham. Nessa fase chamada de ciclo de Calvin ou ciclo das pentoses, que ocorre no estroma do cloroplasto, o tilacoide fornece ATP e NADPH2 ao estroma do cloroplasto, onde se encontra a pentose (ribulose fosfato), essa pentose ativada por um fosfato, fixa o carbono que provém do dióxido de carbono do ar sob a ação catalisadora da “RuBisCO” (ribulose bifosfato carboxilase-oxidase) e, em seguida, é hidrogenada pelo NAPH2 formando o aldeído que dará origem à glicose. Para a síntese de uma molécula de glicose são fixadas seis de dióxido de carbono, permitindo que o processo recicle a ribulose fosfato. Devolvendo-a ao estroma. Desta fase resulta a formação de compostos orgânicos como a glicose, necessária à atividade da planta. Esta fase é denominada fase escura, no entanto, é um termo utilizado de forma inadequada pois, para a “RuBisCO” entrar em atividade determinando a fixação do CO2 atmosférico para a formação de moléculas de glicose, ela precisa estar num estado reduzido, e para isso acontecer é necessário que a luz esteja presente (Figura 3).

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Figura 3: Fases da fotossíntese

Equação: 6CO2 + 12NADPH2 + 18ATP -(enzimas)→ 12NADP + 18ADP + 18P + 6H2O + C6H12O6

Plantas jovens consomem mais dióxido de carbono e libertam mais oxigênio, pois o carbono é incorporado a sua estrutura física durante o crescimento.

É importante realçar que a fase escura não ocorre apenas à noite ou na ausência de luz, o nome refere-se ao fato desta fase não necessitar da luz para funcionar. Ela acontece logo após a fase clara numa reação em cadeia até que o substrato se esgote.

A equação geral da formação de glicose é resultado da soma das duas equações:

Equação simplificada da fase fotoquímica: 12H2O + 12NADP + 18ADP + 18P -(luz)→ 18ATP + 12NADPH2 + 6O2

Equação simplificada da fase química: 6CO2 + 12NADPH2 + 18ATP -(enzimas)→ 12NADP + 18ADP + 18P + 6H2O + C6H12O6

Somando-as e simplificando, obtém-se a equação geral da fotossíntese: 12H2O + 6CO2 → 6O2 +C6H12O6 + 6H2O

Fonte:Anne Trafton, MIT News

Referência

1.Chenu A, Cao J. Construction of Multichromophoric Spectra from Monomer Data: Applications to Resonant Energy Transfer. Phys Rev Lett. 2017;118(1):013001.

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