Pensándolo bien...
El denominado fotosistema I cianobacterial (PSI) es una maquinaria natural sumamente eficiente. Conforma un sistema de elevada complejidad, en el que el mecanismo de transferencia de la energía de las denominadas antenas al centro de reacción, se resiste a que sea desvelado. Se han efectuado muchos intentos y tiene mucho interés, dado que la imitación para usos domésticos o industriales de la energía solar captada artificialmente, es una cuestión de enorme importancia en el contexto del uso de energía de fuentes renovables.
Un elemento central en el conocimiento del proceso, es la evaluación precisa de las energías de excitación de la clorofila. Debe incluir el tratamiento, en los sitios específicos en que tiene lugar, de las influencias del entorno sobre las propiedades electrónicas y estructurales y su evolución temporal, dada la naturaleza dinámica de la transferencia de energía.
Desde el punto de vista teórico, se aborda el estudio de los sitios en los que está situada la clorofila, haciendo uso de un modelo de fotosistema I en el que se sitúan las clorofilas embebidas en una membrana. Los cálculos mecanocuánticos se llevan a cabo, empleando aproximaciones de alta precisión como la QM/MM, es decir un híbrido mecanocuántico y de mecánica molecular, que es una simulación que combina cálculos mecanocuánticos ab initio muy precisos y aproximaciones rápidas como son las de la mecánica molecular. Este tipo de cálculos es usual en el estudio de reacciones químicas en disolución y en proteínas. La idea de este tipo de cálculos se debe, entre otros, a Karplus, Nobel en Química en 2013, por el desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos. El coste computacional de las simulaciones de mecánica clásica molecular (MM) se comportan como O(N2), siendo N el número de átomos, determinado por el término que incluye las interacciones electrónicas. Se han ideado alternativas que limitan el radio de la interacción o incluyen el comportamiento periódico de pares de átomos u otras propuestas audaces que reducen el coste al situarlo entre O(N) y O(N2). Esto supone que cuando, como mucho, se duplica el número de átomos de un sistema, el tiempo de cálculo se sitúa entre dos y cuatro veces el del sistema simple. En la práctica, los cálculos ab initio más simples escalan como O(N3) o peor y a título indicativo el cálculo Hartree-Fock restringido se sitúa en torno a O(N2). Hay que precisar que en este tipo de cálculos N, más que el número de átomos, refiere mejor el número de funciones de la base con la que describimos el sistema y con el número de electrones del mismo. Y aquí radica el interés de los métodos híbridos, dado que una pequeña parte del sistema se trata mecanocuánticamente, cómo típicamente puede ser el sitio activo de una enzima, mientras que el resto del sistema se trata clásicamente.
En tiempo reciente el cálculo por estos procedimientos utilizan el método de multireferencia DFT/MRCI en la región QM, lo que permite obtener la energía de los sitios de forma precisa bajo una consideración explícita del entorno natural en el que se sitúa. En el caso del estudio de la fotosíntesis se analizan las formas de atrapar y las barreras que se dan en las complejas antenas y, posteriormente, se focaliza la transferencia de esa energía hacia el centro de reacción. El último modelo publicado utiliza la dinámica molecular del sistema trimérico denominado complejo del fotosistema I cianobacterial (PSI) y se ha logrado demostrar que las fluctuaciones térmicas de las moléculas de clorofila a nivel individual, previenen la formación de una especie de embudo de energía del sistema de antenas. La teoría que conlleva el modelo de exciton dipolar, soporta esta concreción. Las conclusiones son que los caminos de transferencia de energía pueden dar lugar solamente a situaciones transitorias a temperaturas fisiológicas, dado que las fluctuaciones térmicas permiten superar las barreras de energía que se dan. Esto respalda la valoración de que se trata de un mecanismo de transferencia de energía altamente eficiente en el fotosistema I cianobacterial (PSI).
En condiciones fisiológicas todo el fotosistema I está sometido a las fluctuaciones térmicas que van a permitir superar las barreras energéticas, gracias a que ese intercambio implica que las energías relativas de las clorofilas se cambian entre ellas. Este cambio del lugar de los emplazamientos de origen de la transferencia, hace que se estén abriendo constantemente vías nuevas que encaminan hacia el centro de reacción, al tiempo que otros se cierran. Y esto es, justamente, lo que los investigadores del Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) encuentran como explicación para la elevada eficiencia del fotosistema I. La importancia de este descubrimiento, desde el marco teórico, es que supone una explicación de la eficiencia del fotosistema I y tiene aplicaciones en los fotocatalizadores, tanto naturales como artificiales o híbridos, implicados en campos como la producción de hidrógeno o en la transformación de monóxido de carbono en combustible.
La íntima colaboración teórico-experimental tiene reflejo en avances considerables, como en este caso. Una evidencia experimental es la elevada eficiencia del fotosistema I. La contribución teórica modela las clorofilas que captan la luz solar a través de un complejo de antenas que transfieren la energía a un centro de reacción que es donde tiene lugar el proceso redox en el que se transfieren los electrones. La cuestión es que el rendimiento cuántIco es casi del 100% y la traducción de ello es que, prácticamente todos los fotones absorbidos están implicados en los procesos que tienen lugar en el centro de reacción. Era preciso una interpretación cabal de la cuestión. Y, lo dicho, las aplicaciones a otros sistemas o al diseño de nuevos, es imperativa. Una gran noticia.
Un elemento central en el conocimiento del proceso, es la evaluación precisa de las energías de excitación de la clorofila. Debe incluir el tratamiento, en los sitios específicos en que tiene lugar, de las influencias del entorno sobre las propiedades electrónicas y estructurales y su evolución temporal, dada la naturaleza dinámica de la transferencia de energía.
Desde el punto de vista teórico, se aborda el estudio de los sitios en los que está situada la clorofila, haciendo uso de un modelo de fotosistema I en el que se sitúan las clorofilas embebidas en una membrana. Los cálculos mecanocuánticos se llevan a cabo, empleando aproximaciones de alta precisión como la QM/MM, es decir un híbrido mecanocuántico y de mecánica molecular, que es una simulación que combina cálculos mecanocuánticos ab initio muy precisos y aproximaciones rápidas como son las de la mecánica molecular. Este tipo de cálculos es usual en el estudio de reacciones químicas en disolución y en proteínas. La idea de este tipo de cálculos se debe, entre otros, a Karplus, Nobel en Química en 2013, por el desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos. El coste computacional de las simulaciones de mecánica clásica molecular (MM) se comportan como O(N2), siendo N el número de átomos, determinado por el término que incluye las interacciones electrónicas. Se han ideado alternativas que limitan el radio de la interacción o incluyen el comportamiento periódico de pares de átomos u otras propuestas audaces que reducen el coste al situarlo entre O(N) y O(N2). Esto supone que cuando, como mucho, se duplica el número de átomos de un sistema, el tiempo de cálculo se sitúa entre dos y cuatro veces el del sistema simple. En la práctica, los cálculos ab initio más simples escalan como O(N3) o peor y a título indicativo el cálculo Hartree-Fock restringido se sitúa en torno a O(N2). Hay que precisar que en este tipo de cálculos N, más que el número de átomos, refiere mejor el número de funciones de la base con la que describimos el sistema y con el número de electrones del mismo. Y aquí radica el interés de los métodos híbridos, dado que una pequeña parte del sistema se trata mecanocuánticamente, cómo típicamente puede ser el sitio activo de una enzima, mientras que el resto del sistema se trata clásicamente.
En tiempo reciente el cálculo por estos procedimientos utilizan el método de multireferencia DFT/MRCI en la región QM, lo que permite obtener la energía de los sitios de forma precisa bajo una consideración explícita del entorno natural en el que se sitúa. En el caso del estudio de la fotosíntesis se analizan las formas de atrapar y las barreras que se dan en las complejas antenas y, posteriormente, se focaliza la transferencia de esa energía hacia el centro de reacción. El último modelo publicado utiliza la dinámica molecular del sistema trimérico denominado complejo del fotosistema I cianobacterial (PSI) y se ha logrado demostrar que las fluctuaciones térmicas de las moléculas de clorofila a nivel individual, previenen la formación de una especie de embudo de energía del sistema de antenas. La teoría que conlleva el modelo de exciton dipolar, soporta esta concreción. Las conclusiones son que los caminos de transferencia de energía pueden dar lugar solamente a situaciones transitorias a temperaturas fisiológicas, dado que las fluctuaciones térmicas permiten superar las barreras de energía que se dan. Esto respalda la valoración de que se trata de un mecanismo de transferencia de energía altamente eficiente en el fotosistema I cianobacterial (PSI).
En condiciones fisiológicas todo el fotosistema I está sometido a las fluctuaciones térmicas que van a permitir superar las barreras energéticas, gracias a que ese intercambio implica que las energías relativas de las clorofilas se cambian entre ellas. Este cambio del lugar de los emplazamientos de origen de la transferencia, hace que se estén abriendo constantemente vías nuevas que encaminan hacia el centro de reacción, al tiempo que otros se cierran. Y esto es, justamente, lo que los investigadores del Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) encuentran como explicación para la elevada eficiencia del fotosistema I. La importancia de este descubrimiento, desde el marco teórico, es que supone una explicación de la eficiencia del fotosistema I y tiene aplicaciones en los fotocatalizadores, tanto naturales como artificiales o híbridos, implicados en campos como la producción de hidrógeno o en la transformación de monóxido de carbono en combustible.
La íntima colaboración teórico-experimental tiene reflejo en avances considerables, como en este caso. Una evidencia experimental es la elevada eficiencia del fotosistema I. La contribución teórica modela las clorofilas que captan la luz solar a través de un complejo de antenas que transfieren la energía a un centro de reacción que es donde tiene lugar el proceso redox en el que se transfieren los electrones. La cuestión es que el rendimiento cuántIco es casi del 100% y la traducción de ello es que, prácticamente todos los fotones absorbidos están implicados en los procesos que tienen lugar en el centro de reacción. Era preciso una interpretación cabal de la cuestión. Y, lo dicho, las aplicaciones a otros sistemas o al diseño de nuevos, es imperativa. Una gran noticia.
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