En términos generales, el proceso de la fotosíntesis que desarrollan todas las plantas, consiste en la utilización del poder de la luz solar para fraccionar las moléculas de agua, en iones de oxígeno e hidrógeno, liberando al mismo tiempo electrones. Es esta la más importante reacción, la que mantiene toda la complejidad de la vida en la Tierra. Ello llegó a ser posible, después de miles de millones de años de evolución biológica, que como resultado, hizo posible el desarrollo de la vida multicelular en el planeta Tierra. Por su intermedio, todas las plantas, las algas y las cianobacterias, disponen de una fuente de energía segura y estable que necesitan para su crecimiento y desarrollo (Combustible para la Vida, Energía Solar). Esta la usan para construir sus estructuras, como también para continuar funcionando cuando llega la noche y el sol no está. Para almacenar la energía como almidón, lo que permite a las semillas nutrirse para su crecimiento durante las primeras etapas, cuando aún no disponen de los mecanismos de fotosíntesis necesarios para producir su propia energía.

De la energía acumulada en las plantas, a su vez se nutren los animales. Ellos aprovechan sus almidones, proteínas y lípidos, obteniendo de ellos la energía, al mismo tiempo que se proveen de elementos y estructuras químicas preformadas que no pueden sintetizar y que necesitan para su crecimiento y desarrollo. Para aprovechar el alimento, los herbívoros han desarrollado un gran estómago, o rumen, en cuyo interior se fermentan grandes cantidades de pasto. También los carnívoros en definitiva dependen de las plantas. A estos últimos, la evolución les ha permitido desarrollar gran rapidez y velocidad, lo que les permite capturar sus presas. En ellas está su alimento. En definitiva, todo proviene del sol: los herbívoros, al comer vegetales, están indirectamente haciendo uso de la energía solar que se ha almacenado en las plantas. A su vez los carnívoros, también aprovechan la energía solar al consumir otros animales.


Ya se conoce como lo hacen las plantas

La fotosíntesis es el mecanismo más exitoso de conversión de la luz solar en energía aprovechable. Seríamos estúpidos ignorar este fantástico mecanismo que ha logrado desarrollar la naturaleza, en el momento en que con urgencia necesitamos de una fuente de energía renovable y limpia que satisfaga todas las necesidades energéticas que ha creado la civilización moderna. Si se llegara a desarrollar una fotosíntesis artificial, que permitiera dividir el agua, y producir hidrógeno sin límite, dispondríamos también de una fuente energética permanente, inagotable y limpia (El Hidrógeno para Reemplazar la Energía Fósil).

El problema es que aún sigue siendo un misterio cómo pueden las plantas dividir las moléculas de agua. De acuerdo a la teoría electroquímica, la energía que se requiere para quebrar la molécula de agua, supera en mucho la que sería suficiente para destruir cualquier molécula biológica. Está claro que no es así como tenemos que actuar. Hay que descubrir el secreto que guardan las plantas, el que les permite dividir la molécula de agua, durante todo el día y cada día, y sin que se produzca ningún efecto destructivo sobre ninguna otra molécula biológica. Para poder repetirlo, necesitamos algo más que reactivos y un tubo de ensayo. Ya sabemos que se requiere de toda una estructura espacial, dispuesta en forma tal que permita el desarrollo de los diversos procesos enzimáticos, que requieren de iones metálicos, átomos de oxígeno, y moléculas de agua, ubicados todos en un lugar especial, que interactuando con las enzimas, llegan a constituir lo que en las plantas se llama "la maquinaria fotosintética". Dentro de ella, se identifica un lugar específico, que se le ha llamado "núcleo catalítico", cuya estructura ya se ha llagado a conocer, aun cuando no está totalmente claro como funciona.

Al conocer la estructura del núcleo catalítico, ya se ha dado un paso para llegar a imitar a las plantas y realizar una fotosíntesis artificial. El paso siguiente es descifrar los eventos químicos precisos que se van desarrollando dentro de esta estructura, hasta llegar a dividir la molécula de agua.

La fotosíntesis natural, se realiza en unos organelos ubicados en el interior de las células de las hojas de las plantas, llamadas "cloroplastos" (fig. 1). Tienen la forma de un disco y miden entre 4 a 6 micrómetros de diámetro. Las células que se encuentran en el centro de la hoja, poseen entre 40 a 60 cloroplastos por célula. Cada uno de ellos esta formado por una doble membrana, y contiene además un sistema membranoso interno muy desarrollado (Cloroplastos y Pared Celular) (fig. 2). Allí están insertas y ensambladas, diversas proteínas, los iones metálicos necesarios y un pigmento verde llamado "clorofila", todo lo cual forma parte del aparato fotosintético. En lo que ahora están interesados los químicos, es en reconstruir una parte importante de este sistema, que se ha llamado, "fotosistema II" (porque fue descubierto después del fotosistema I) (fig. 3).

Cuando un fotón de luz golpea el fotosistema II, es canalizado dentro de una molécula clorofílica especializada, llamada P680. Esta libera un electrón de alta energía que es enviado por una ruta a un circuito antes que sea utilizado para reducir el CO2 a azúcar. Luego el P680 vuelve a su estado basal para esperar el impacto de otro fotón. Pero antes que pueda hacer esto, necesita reemplazar el electrón perdido. Aquí es donde actúa el núcleo catalítico: por cada electrón perdido por P680, el núcleo catalítico extrae uno de la molécula de agua para reemplazarlo. Después de repetidas cuatro veces la transferencia de electrones, el núcleo catalítico escupe una molécula de oxígeno y cuatro iones de hidrógeno y se recarga. En el proceso completo, la energía lumínica convierte dos moléculas de agua, en una molécula de oxígeno, cuatro iones de hidrógeno y cuatro electrones.

"Construir un sistema artificial que pueda operar continuamente en igual forma, presenta tres problemas básicos", dice Stenbjörn Styring, profesor de bioquímica de la Universidad de Lund en Suecia. Dos de ellos ya han sido resueltos. Los investigadores saben como capturar la energía solar y pueden también transmitirla en forma de electrones a un centro de reacción para producir hidrógeno. Pero lo que hasta ahora no han podido ejecutar, es completar el ciclo y rellenar los electrones extraídos por la luz solar. Sin esta vital tercera etapa, todo el proceso rápidamente se detiene. Es como el malabarista, que necesita tener todas las pelotas en el aire simultáneamente, para que el sistema funcione. Si se le cae una, el proceso se detiene. "Esta es la parte difícil y resolverla es un proyecto largo", señala el científico.

En las plantas el rellenamiento de electrones proviene de la reacción de división del agua. Si los investigadores de la fotosíntesis artificial pueden imitar esta etapa crucial, abrirían el camino para convertir la luz solar en energía utilizable, en la misma forma que lo hacen las plantas. "Esto proveería de una fuente constante de energía y además ambientalmente amigable", dice Styring.

Los investigadores de la fotosíntesis, por mucho tiempo han estado pensando que el secreto de la partición del agua está incorporado en la estructura del núcleo catalítico. Es importante hacer notar que aun cuando hay variaciones entre las diferentes especies en el componente proteico del fotosistema II, el núcleo catalítico parece ser el mismo, tanto en las plantas, como en las algas o las cianobacterias. El hecho que a lo largo de la evolución se haya mantenido constante la estructura del componente proteico del núcleo, hace suponer que el arreglo de los átomos es crítico para su función. De este modo el descifrar la estructura del núcleo catalítico ha llegado a ser un objetivo de singular importancia. Ello explica que haya varios grupos de investigadores que están activamente investigando este punto.


Descifrando la estructura del fotosistema II

El primer avance se logró en el 2001, cuando Petra Fromme y su equipo de la Universidad Técnica de Berlín, publicó el estudio de la primera estructura del fotosistema II, obtenida por cristalografía de rayos (Nature, vol. 409, pág. 739). Este no fue un trabajo fácil, ya que algunas de las proteínas claves del complejo estaban en un constante estado de reparación, debido al daño oxidativo. Luego, en el año 2003, un equipo del Instituto Harima, cerca de Kobe en Japón, publicó una segunda estructura aún más clara, obtenida por rayos X de alta resolución (Proceeding of the National Academy of Science, vol. 100, pág. 98).

Estas estructuras prueban más allá de cualquier duda que el núcleo catalítico contiene cuatro iones de magnesio, un ion de calcio, varios átomos de oxígeno y por lo menos dos moléculas de agua, todo ello mantenido en sus respectivos lugares por un andamiaje proteico. Pero aún no ha sido posible revelar la estructura precisa de la geometría espacial de los átomos de metal. La opinión dominante era de que el centro del núcleo catalítico estaba constituido por cuatro iones de manganeso y cuatro iones de oxígeno, estructurados en un cubo, con un ion de calcio fuera de él. Pero el arreglo preciso de los iones de magnesio no estaba claro, ni tampoco si el calcio estaba dentro o fuera.

Jim Barber y su equipo del Imperial College de Londres, ahora han resuelto ese problema a través de un ingenioso análisis de imágenes de difracción de rayos X del núcleo catalítico de la cianobacteria "Thermosynechococcus elongatus". Sus hallazgos han sido de gran sorpresa. Originalmente ellos eran partidarios de lo aceptado por la mayoría, en el sentido de que el núcleo catalítico consistía de cuatro iones de magnesio centrales con un ion calcio adosado. Pero la estructura final descifrada en Diciembre del 2003 y publicada en Marzo (Science, vol. 303, pág. 1831), sugiere algo diferente: el núcleo catalítico corresponde en realidad a un cubo distorsionado que tiene tres iones de magnesio, más uno de calcio interconectado por átomos de oxígeno. El cuarto ion de magnesio está afuera, con una molécula de agua unida a él (fig. 4). La mayor parte de los investigadores está de acuerdo con este análisis.


Como funciona el núcleo catalítico

La nueva información no sólo acota a la infraestructura, sino también tiene una implicación importante para comprender y copiar el proceso químico de la división del agua.

Las tentativas para descifrar la química, se remontan hasta tres décadas atrás. El primer gran avance se produjo en 1969, cuando Bessel Kok de los Laboratorios Martín Marietta en Baltimore, Maryland y Pierre Joliot del Instituto de Física-Química Biológica en París, desarrollaron un modelo en que el núcleo catalítico pasaba por un ciclo de cuatro etapas. Partiendo de la observación que tomaba cuatro fotones para generar una molécula de oxígeno, Kok y Joliot propusieron que el núcleo catalítico partía de una situación de descanso llamada So, y luego se movía en cuatro sucesivos estados (S1, S2, S3 y S4) en respuesta a la absorción de cuatro fotones de luz, para generar una molécula de oxígeno. En la medida que esta secuencia procedía, el núcleo catalítico acumulaba suficiente "poder de corte-electrón" o potencial Redox como para extraer electrones del agua (ver "potencial Redox"). Después de la cuarta etapa, según el modelo propuesto, se cortaban resultando en dos moléculas de oxígeno, más cuatro electrones y cuatro iones de hidrógeno, para posteriormente volver a la etapa de So. Desde entonces ha prevalecido este modelo y se conoce como el estado de ciclo S, o reloj de Kok.

El detalle químico de cada etapa del ciclo, permanece desconocido, aun cuando se han sugerido numerosos mecanismos. El mismo Kok cree que el núcleo catalítico va desmembrando poco a poco a la molécula de agua, extrayéndole cada vez un electrón, mientras otros sugieren esquemas ligeramente diferentes. Pero de acuerdo a Barber la nueva estructura significa que se puede rechazar todo. "Yo no creo que termodinámicamente sea posible", dice él.

Barber ahora está convencido que el requerimiento crítico requiere que el corte del agua suceda sólo después de la tercera etapa del estado del ciclo, y que esto tiene lugar en el ion manganeso que está solo, fuera del cubo distorsionado. Su argumento parte del hecho de que el potencial redox del agua es +2.5 volts y que cada etapa del estado S, eleva el potencial sólo 0.1 volt. De este modo, él propone que, como el núcleo catalítico pierde electrones, el potencial redox se acumula en el ion manganeso aislado. En el So este ion tiene un potencial redox alrededor de 0; en S3 se ha construido sobre +3 volts, suficiente para montar un ataque al agua.

En este punto las cosas comienzan a hacerse interesantes. Primero el ion manganeso aislado roba un electrón de la molécula de agua unida a él, consumiendo 2.5 volts del potencial redox, dejando un radical hidroxilo (OH) y un ion hidrógeno. Entonces el núcleo catalítico golpea sobre la cuarta etapa del ciclo, elevando el potencial redox del ion manganeso, lo suficiente como para montar un circuito lejano, esta vez en el radical OH, consumiendo 1.5 volts de potencial redox. Esto crea un átomo de oxígeno altamente reactivo y un segundo ion hidrógeno.

En este punto, el ion calcio se junta a la riña dentro del cubo distorsionado. El también tiene unida una molécula de agua, puesta justo en el lugar apropiado para ser inmediatamente atacada por el átomo de oxígeno. La reacción final produce una molécula de oxígeno, dos protones alejados y dos electrones. Esta es la última reacción "cerro abajo" devolviendo 0.6 volt al sistema.

Otros investigadores están de acuerdo que el mecanismo propuesto por Barber es consistente con su estructura, pero también señalan que son posibles otros esquemas. Esto no se puede cerrar definitivamente hasta que por lo menos se tengan más detalles de las imágenes de difracción de rayos X, que revelen estructuras más acuciosas para el núcleo.

Styring y otros investigadores líderes, esperan que esto suceda muy pronto. En todo caso están convencidos que va a ser posible imitar la química del fotosistema II en un sistema artificial. El desafío clave, es replicar el ciclo de estado S, en el cual las moléculas de agua provean un suministro continuo de electrones.

Pero hay una diferencia crucial entre la fotosíntesis artificial y su contra parte natural: ella va a producir oxígeno. Cuando se han extraído dos electrones, en lugar de ser retenidos como fuente de energía para la producción de azúcar, ellos reaccionarán con dos iones, también obtenidos del corte del agua, para formar una molécula de hidrógeno. Según Styring, esta parte es fácil y en un año o dos se estará trabajando.

La emergencia del corte fotosintético del agua, fue un elemento fundamental en la evolución de la vida en la Tierra, al crearse las condiciones para que existiera la vida multicelular. Ahora, 2.5 mil millones de años más tarde, la ingenuidad humana se encuentra luchando para producir de igual proceso, la hazaña de conseguir una fuente de energía sostenible y amigable.