Reconstitución de nanoesferas captadoras de luz natural en bacterias fotosintéticas

Casi toda la energía química disponible para la vida en la Tierra se remonta al Sol. Esto se debe a que las supermoléculas captadoras de luz (LH, por sus siglas en inglés) (dos o más moléculas unidas por fuerzas intermoleculares) permiten que las plantas y algunas bacterias (generalmente en la base de la cadena alimentaria) aprovechen la luz solar para impulsar la fotosíntesis. Para que estas macromoléculas sean efectivas, deben contener múltiples pigmentos, como la clorofila, dispuestos en estructuras especiales que difieren en diferentes especies.

Por ejemplo, las bacterias fotosintéticas verdes tienen antenas LH en ellas. moléculas de clorofila Forman estructuras helicoidales que, a su vez, se agregan en grandes superpartículas tubulares. Por el contrario, las bacterias fotosintéticas moradas, como Rhodobacter spiroides, exhiben diferentes tipos de antenas LH en las que los pigmentos de clorofila están dispuestos en estructuras en forma de anillo. Si bien los investigadores han podido recrear agregados tubulares de clorofila en el laboratorio utilizando un enfoque de autoensamblaje, los análogos en forma de anillo aún no se han recreado artificialmente.

En un estudio reciente publicado en comunicaciones químicasUn equipo de científicos de Japón logró abordar esta brecha de conocimiento. Descubrieron que mezclar un derivado de clorofila con diamida de naftaleno en disolvente orgánico condujo a la formación de dímeros que se ensamblaron espontáneamente en estructuras en forma de anillo, cada una de varios cientos de nanómetros de diámetro. El equipo incluía al profesor Hitoshi Tamaki de la Universidad Ritsumeikan y al profesor asociado Shogo Matsubara del Instituto de Tecnología de Nagoya.

Sorprendido por su descubrimiento inicial, el equipo buscó comprender mejor la formación y las propiedades de las nanoestructuras de anillos. Tras un examen más detallado utilizando Microscopio de fuerza atómica, observaron que las diclorofilas, moléculas que consisten en dos unidades de clorofila unidas a naftaleno, inicialmente se autoensamblaron en nanofibras onduladas estables. Cuando estas nanofibras se calientan a 50 °C, se desmontan en precursores de nanofibras más pequeños cuyos extremos finalmente se unen para formar las nanofibras deseadas.

Curiosamente, esta transformación de nanofibras a nanofibrillas dependía de estímulos externos. Se observa que la temperatura juega un papel importante, además de la concentración de diodos. El Prof. Tamaki explica: «A concentraciones más bajas, los agregados en forma de anillo se obtuvieron mediante la adhesión preferencial de extremo a extremo de una sola molécula epitaxial fibrilar. En contraste, la asociación de extremo a extremo entre diferentes nanofibras fue predominante en concentraciones más altas y dio lugar a la red de nanoestructuras.”.

En general, los resultados de este estudio revelan un método sencillo para fabricar la supermolécula LH que ha eludido a los científicos durante mucho tiempo. Entusiasmado con los resultados, el Dr. Matsubara dice: «Los autoensamblajes que fabricamos permiten una absorción eficiente de la luz solar combinada con la transmisión y transmisión de energía de excitación. Imitar la disposición de los pigmentos de clorofila observados en la naturaleza es fundamental no solo para comprender la fotosíntesis natural sino también para construir sistemas artificiales de LH para dispositivos como las células solares».

Además, el cambio estructural de nanofibras a nanoanillos es inducido por estímulo externo Puede ayudar a crear nuevos materiales inteligentes con propiedades modificables. El equipo dijo que se están realizando más investigaciones sobre las propiedades ópticas de los nanorods autoensamblados.