Junto a Pushkar y su equipo, un grupo internacional de investigadores están utilizando las espinacas para estudiar qué proteínas están involucradas en la fotosíntesis, el proceso por el cual las hojas de la planta convierten la energía del sol en hidratos de carbono que se utilizan para alimentar los procesos celulares.
"Las proteínas que estudiamos son parte del sistema más eficiente jamás construido, capaz de convertir la energía del sol en energía química con una inigualable eficiencia del 60 por ciento", dijo Pushkar. "La comprensión de este sistema es indispensable para la investigación de energías alternativas", con el objetivo último de poder crear una fotosíntesis artificial.
Durante la fotosíntesis las plantas utilizan la energía solar para convertir el dióxido de carbono y agua en carbohidratos, almacenando el oxígeno y el hidrógeno. De esta manera, una fotosíntesis artificial podría permitir la conversión de energía solar en combustibles renovables basados en hidrógeno.
En el laboratorio de Pushkar, los estudiantes extraen un complejo proteico (llamado Fotosistema II) de las espinacas que compran en el supermercado. Se trata de un complicado proceso, que tiene lugar durante de dos días en una sala especialmente construida que mantiene las muestras de espinaca frías y a salvo de la luz. Una vez que las proteínas son extraídas cuidadosamente, los científicos las excitan con un láser, registrando los cambios en la configuración electrónica de sus moléculas.
"Estas proteínas requieren luz para trabajar, por lo que el láser actúa como el sol en este experimento", dijo Pushkar. "Una vez que las proteínas comienzan a funcionar, utilizamos técnicas avanzadas como la resonancia paramagnética electrónica y espectroscopia de rayos X para observar la forma en la estructura electrónica de las moléculas cambia con el tiempo, a medida que realizan sus funciones".
El Fotosistema II está implicado en la fase fotosintética en la cual las moléculas de agua son divididas en oxígeno, protones y electrones. Durante este proceso, una parte del complejo de la proteína, llamado "complejo generador de oxígeno", pasa cíclicamente a través de cinco estados de los que salen cuatro electrones. Los resultados de este estudio fueron publicados recientemente en Nature.
Para descubrir con detalle los procesos moleculares que suceden, "el truco es utilizar el láser de rayos X más potente del mundo, el llamado LCLS, ubicado en el Laboratorio del Acelerador SLAC", en Stanford, California, según dijo Petra Fromme, profesora en la Universidad Estatal de Arizona e involucrada en dirigir la parte internacional del experimento.
Mientras que la cristalografía de rayos X revela cambios estructurales, que no proporcionan detalles de cómo la configuración de los electrones evoluciona con el tiempo, el equipo de Purdue empleó una técnica llamada resonancia electrónica paramagnética para, según Pushkar, revelar las configuraciones electrónicas de las moléculas. "Las configuraciones electrónicas se utilizan para confirmar en qué etapa está el proceso de Fotosistema II en un momento dado", dijo. "Esta información es como una especie de sello que marca el tiempo y sin la que nuestro equipo no hubiera sido capaz de poner los cambios estructurales en contexto".
