¿Hay un gen específico involucrado, tal vez? ¿Se podría diseñar genéticamente una bacteria para oxidar el agua y generar electrones más rápido? Me refiero a este problema biológico en términos de una aplicación a las células solares.
Editar: no estoy preguntando sobre la existencia de un gen responsable de la fotosíntesis, estoy preguntando por qué algunas bacterias exoelectrogénicas pueden producir electrones en el transporte de electrones de manera más eficiente que otras. ¿Hay alguna razón para esto que pueda atribuirse a un determinado gen que hace que ciertos exoelectrógenos sean superiores a otros?
Puede o no considerar esto como una respuesta real a toda su pregunta, pero de todos modos es interesante.
Un físico amigo mío hizo un trabajo recientemente modelando la dinámica cuántica de los complejos fotosintéticos y sus constantes de acoplamiento para pasar energía a través del fotosistema. Sus resultados mostraron que, (y creo que esto está de acuerdo con la literatura), que los sistemas fotosintéticos son en realidad tan eficientes como es posible (no solo esto, sino que creo que son los sistemas energéticos más eficientes conocidos por el hombre). - sobre algo así como ~ 90% de eficiencia).
Si comienza a alterar las posiciones de los cromóforos, etc., los fotosistemas exhiben una robustez notable y obtiene una disminución más o menos logística en la eficiencia (es decir, eliminar uno o 2 cromóforos da como resultado reducciones marginales en la eficiencia, más aún en un debilitamiento considerablemente más severo, hasta que en última instancia, su eficiencia disminuye notablemente, pero la manipulación adicional tiene una meseta en la reducción de la eficacia).
Gran parte del trabajo que se ha realizado sobre la biología cuántica de los fotosistemas se ha relacionado con el Complejo FMO (Fenna-Matthews-Olson), que es un sistema modelo simplificado de algas fotosintéticas; puede encontrar respuestas más detalladas a sus consultas leyendo en esta área. .
En cuanto a las discrepancias observadas en la eficacia fotosintética compradas genéticamente, existen teorías que sugieren que los organismos en realidad se protegen a sí mismos. Por ejemplo, para evitar la sobreproducción de especies de ROS. Sin embargo, no puedo ofrecerle mucho en cuanto a un caso bien probado para esto, es solo una conversación que tuve con un postdoctorado en el trabajo recientemente, que completó su doctorado en cianobacterias fotosintéticas.
EDITAR Aquí está uno de los documentos sobre la optimización en el FMO:
La respuesta de @Joe Healey es excelente, pero me gustaría ampliar el tema, ya que antes hice una revisión exhaustiva de la literatura sobre el tema.
Antes de hacerlo, me gustaría aclarar algunos malentendidos que parecen tener sobre la transferencia de electrones. Como dijo @stords, los electrones no se generan durante la fotosíntesis. De donde proviene es de la oxidación del agua mediada por el centro de reacción. El centro de reacción es parte del fotosistema, que contiene todas las partes de las reacciones que dependen de la luz. La oxidación es realizada por el complejo generador de oxígeno . Este proceso de oxidación no se comprende muy bien. Sin embargo, la mayoría de las bacterias fotosintéticas contienen complejos similares. Tenga en cuenta que las bacterias verdes del azufre no usan H2O para la oxidación, sino H2S.
centro de reacción
Ahora, en las reacciones dependientes de la luz, tenemos lo que se conoce como complejo captador de luz, que contiene muchos pigmentos que absorben la luz y se excitan. Luego, los pigmentos transfieren la energía al centro de reacción, que también obtiene los electrones de la oxidación. Entonces, cuando la energía de la antena llega al centro de reacción, la energía excita al electrón a un nivel de energía más alto. Este electrón de mayor energía se transfiere a la cadena de transporte de electrones , donde reduce varios aceptores de electrones y, mientras lo hace, utiliza la energía liberada para bombear electrones y crear un gradiente de protones. Este gradiente de protones se usa para producir ATP. Incluso en las bacterias, el proceso es muy similar. Los detalles exactos se pueden leer aquí
Eficiencia de excitación
Ahora, respondiendo a su pregunta, lo que realmente determina la eficiencia de la transferencia de electrones es en realidad la transferencia de energía que ocurre en el complejo captador de luz (LHC). Ahora, diferentes organismos tienen diferentes mecanismos, pero todos los científicos están de acuerdo en que hay algo de mecánica cuántica detrás de esto. En la siguiente discusión, me referiré a la dinámica del complejo FMO, el complejo de antena que se encuentra en las bacterias verdes del azufre y se usa comúnmente para estudiar las interacciones mecánicas cuánticas de la transferencia de energía.
Ahora, cuando tenemos esta transferencia de energía de una molécula de pigmento (clorofila en las plantas, bacterioclorofila a en las bacterias del azufre verde), lo llamamos excitón. Este excitón es un estado mecánico cuántico. Ahora bien, en la mecánica cuántica existe un concepto llamado superposición. Básicamente, la superposición significa que un solo estado mecánico cuántico se compone de múltiples estados. En el caso del complejo captador de luz, cuando decimos que el excitón está en una superposición, lo que esto significa es que la energía puede viajar en todos los caminos posibles desde un pigmento hasta el centro de reacción, y cuando se encuentra el mejor camino, el interacciones en el complejo hace que el estado se derrumbe en el mejor estado. ¡Así es como se produce la transferencia de energía en menos de 1 ns!
Esta dinámica es muy complicada y muy sorprendente, ya que esta dinámica de la mecánica cuántica está ocurriendo en un sistema abierto. Por lo general, es muy difícil observar la dinámica de la mecánica cuántica debido a algo conocido como decoherencia. Esto es cuando un estado mixto (superposición) colapsa en un solo estado. Sin embargo, curiosamente, el complejo usa esta decoherencia para colapsar en el mejor camino para que el excitón alcance el centro de reacción.
Este campo es muy interesante. Si tiene alguna pregunta, por favor deje un comentario. Estoy un poco oxidado en este tema, pero estoy muy interesado en este tema. Si desea ver más ejemplos de mecánica cuántica en biología, busque "biología cuántica". La biología cuántica es un nuevo campo que estudia la intersección de la mecánica cuántica y la biología.
Referencias:
Acoplamiento vibracional-electrónico: Vos et al. es lo más probable, pero algunos han sugerido un entrelazamiento cuántico que sería genial si los organismos fotosintéticos crecieran a temperaturas criogénicas.
tormentas
otro 'homo sapiens'
siempre confundido
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