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Descoberto novo tipo de fotossíntese


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         Um estudo publicado esta semana na Science (Ref.1), e conduzido por pesquisadores da Imperial College London em colaboração com grupo de pesquisa da ANU, em Canberra, CNRS, em Paris e Saclay, e CNR, em Milão, revelou um novo tipo de fotossíntese que utiliza radiação na região quase dentro do infravermelho e de forma facultativa! O achado, além de reescrever nosso entendimento dos seres fotossintetizantes, traz novas vias de como nós podemos engenhar geneticamente as plantações visando maiores rendimentos, e ainda traz implicações para o campo da astrobiologia.

           OBS.: A primeira parte deste artigo traz um resumo do processo da fotossíntese (Fotossíntese e o vermelho) e a segunda parte aborda a nova descoberta Fotossíntese f). Recomendo a leitura da primeira parte tanto como curiosidade quanto para entender melhor o significado da descoberta.

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   FOTOSSÍNTESE E O VERMELHO

         A maior parte da radiação eletromagnética que chega do Sol até a superfície do nosso planeta compreende o espectro visível, o qual vai do violeta até o vermelho (380-700 nm). Comprimentos de onda imediatamente menores em relação a essa faixa (<380) é onde encontramos a radiação ultravioleta (UV) e comprimentos de onda imediatamente maiores (>700 nm) é onde encontramos o infravermelho. Quanto maior o comprimento de onda, menor a energia associada. Na fotossíntese, as plantas capturam energia solar com a ajuda de pigmentos chamados de clorofila (tipos a e b), estes os quais absorvem luz visível mais no azul e no vermelho, refletindo uma maior quantidade de verde (por isso boa parte das folhas de plantas são verdes). Com essa energia capturada, elas produzem carboidratos a partir do dióxido de carbono capturado da atmosfera e da água sugada pelas raízes. Cianobactérias - bactérias fotossintetizantes presentes principalmente no fitoplâncton - e algas também realizam fotossíntese utilizando clorofila, com algumas poucas exceções.


         A clorofila e os outros pigmentos estão aglomerados próximos uns dos outros nos fotossistemas, e a energia passa rápido entre eles, como bolas de bilhar em choque. Essa energia provém principalmente dos comprimentos de onda azul e vermelho, porque são energeticamente compatíveis com o processo de excitação dos elétrons da clorofila. Os pigmentos auxiliares acompanham a clorofila para otimizar a capacidade de absorção luminosa das folhas ao capturar um mais amplo espectro de ondas no visível, incluindo o amarelo e o laranja (1). E é nesse ponto que a fotossíntese nas plantas de fato é iniciada, quando a luz atinge os pigmentos do Fotossistema I e excitam seus elétrons.


(1) Esses pigmentos - incluindo as clorofilas livres - absorvem a radiação luminosa em diferentes comprimentos de onda, passando para um estado excitado. Essa energia, então, é passada via transferência por ressonância até os Fotossistemas I e II, onde pode ser aproveitada pelo P700 ou pelo P680.

         A energia passa rapidamente de molécula para molécula até alcançar uma forma especial de clorofila - P700 (o qual absorve um pico máximo de energia na região do vermelho de 700 nm e é formado por um dímero de moléculas de clorofila a) -, alcançando o estado excitado P700*, este o qual é, provavelmente, o redutor mais poderoso nos sistemas naturais (redox: aproximadamente -1,2 V). Nesse sentido, o P700* transfere um elétron excitado ao receptor A0, iniciando a transferência eletrônica para o NADP+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo) via uma cadeia de transporte de elétrons. Dois elétrons transportados, então, se combinam com os íons NADP+ e H+ para a formação da espécie NADPH.

         Bem, quando o P700 perde seus elétrons, ele precisa ser reduzido (ganhar elétrons) para funcionar novamente. Aqui, então, entra em cena o Fotossistema II, onde pigmentos também absorvem energia luminosa e a transfere para outra forma de clorofila, a P680 - um tetrâmero de moléculas de clorofila a que absorve um pico máximo em 680 nm -, levando-a para um estado excitado (P680*). O P680*, então, transfere seus elétrons excitados através de uma distinta cadeia transportadora, em direção ao Fotossistema I. Nessa nova transferência, os elétrons em transporte perdem parte da sua energia, a qual é usada para a produção de ATP (adenina trifosfato), a moeda energética das células, a partir de fosfato (P) e adenina difosfato (ADP). Os elétrons finalmente alcançam as moléculas oxidadas - cátions radicalares - de P700, renovando-as e permitindo que um novo ciclo de produção de NADPH tenha início.

        Quando o P680 perde seus elétrons, ele ser torna um super agente oxidante, provavelmente o mais forte encontrados nos sistemas naturais (redox: aproximadamente 1,3 V). Nesse sentido, ele acaba oxidando moléculas de água capturadas pela planta através das raízes (as quais são levadas para o cloroplasto). Essa oxidação leva à produção de O2 (gás oxigênio) e de íons H+. O gás oxigênio é, então, liberado pelos poros das plantas para a atmosfera.



          Até agora, foi dado um geral sobre as cascatas de reações que fazem parte da fase dependente de luz. Na fase independente de luz é onde a fotossíntese finalmente produz o carboidrato glicose. O NADPH e ATP formados anteriormente são a base de reações no estroma catalisadas por enzimas diversas, as quais requerem a presença agora de dióxido de carbono (gás que entra pelos poros da planta a partir da atmosfera, difunde até o cloroplasto e fica disperso no estroma). Ali no estroma, com a ajuda de uma enzima específica, seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) se ligam com seis moléculas de RuBP (ribulose bisfosfato) para a criação de seis novas moléculas. Com a energia dos ATPs e os hidrogênios/elétrons do NADPH, átomos de hidrogênio (H), carbono (C) e oxigênio (O) são rearranjados nessas novas moléculas, produzindo uma molécula de glicose (C6H12O6) e cinco moléculas de RuBP reconstruídas (Ciclo de Calvin). Esse processo - conhecido como Fixação de Carbono - é repetido inúmeras vezes em cada cloroplasto enquanto dióxido de carbono, NADPH e ATP estejam disponíveis. No final, temos inúmeras moléculas de glicose sendo produzidas, as quais são utilizadas pela planta para a produção de energia via respiração aeróbica, criação de blocos construtores para a sua estrutura (como a celulose) ou para a criação de reservas energéticas (como amido).


          A maioria das plantas e algas utilizam esses passos para a realização da fotossíntese, com variações entre algumas espécies. As bactérias fotossintetizantes não possuem cloroplasto e utilizam estruturas chamadas de cromatóforos - localizados na membra plasmática - para comportar tilacoides similares àqueles encontrados nas plantas. Em muitas bactérias, esses tilacoides comportam clorofila (incluindo os tipos a, c1, c2, d e/ou f) - e são abundantes nos oceanos, lagos e rios, produzindo grande parte do gás oxigênio do planeta -, enquanto as Halobactérias (uma Arqueobactéria) possuem o pigmento bacterirodopsina e não carregam o processo completo de fotossíntese (usam energia provinda de um processo similar à fase dependente de luz nas plantas, mas não sintetizam glicose). Aliás, essas Halobactérias estão entre os mais antigos organismos da Terra, e podem ter sido o ponto evolutivo inicial de desenvolvimento da fotossíntese completa. É válido também lembrar que algumas Arqueobactérias (domínio Archaea) não utilizam água na sua fotossíntese e, sim, hidreto de enxofre (H2S), liberando enxofre (S) ao invés de gás oxigênio (O2).

      Apesar de conhecermos bastante os processos envolvidos na fotossíntese, existem ainda muitas etapas das suas diversas e complexas reações não totalmente entendidas, especialmente a nível quântico, e são alvos de contínuos estudos.

Leitura complementar: 

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   CLOROFILA f

        Os pigmentos fotoquimicamente ativos dos dois fotossistemas (I e II), em 700 nm e 680 nm, respectivamente, representam a energia disponível para a fotoquímica da fotossíntese. Até algumas décadas atrás, esses picos máximos de comprimento de onda eram consideradas o limite no vermelho, ou seja, a energia mínima requerida para a fotossíntese oxigênica ocorrer, até que foi encontrado uma cianobactéria (Acaryochloris) que conseguia estender esse limite ao utilizar a clorofila d, um pigmento que consegue absorver um comprimento de onda 40 nm mais longo do que a clorofila a. Os fotossistemas da Acaryochloris são dominados (~97%) por clorofila d, com o restante de clorofila a localizado em pontos chaves.

         Mais recentemente, a clorofila f, a qual absorve o maior comprimento de onda entre as clorofilas conhecidas, foi descoberta. A clorofila f existe como um pigmento minoritário em fotossistemas que contêm ~90% de clorofila a, e geralmente assumia-se que ela atuava apenas como um suporte energético para a clorofila a, ou seja, colhendo energia que seria transferida para essa última manter o ciclo fotoquímico. Nesse sentido, continuava-se acreditando que o limite de absorção para a ocorrência da fotossíntese oxigênica era de 680-700 nm.


        Porém, pesquisadores agora estudando a cianobactéria Chroococcidiopsis thermalis, mostraram que a clorofila f consegue sustentar a fotossíntese como doadora primária de elétrons em ambos os fotossistemas quando em um ambiente além do limite do vermelho! Quando essa cianobactéria cresce em um ambiente com um pico em 750 nm, sua composição de clorofilas é em torno de 90% do tipo a, ~10% do tipo f e <1%. do tipo d Nessas condições, o Fotossistema I passa a funcionar com a clorofila f absorvendo em 745 nm e clorofila f ou d a 727 nm no Fotossistema II, "desligando" o funcionamento da clorofila a. Isso representa um segundo limite no vermelho suportado primariamente pela clorofila f (esta a qual, aliá, consegue absorver comprimentos de onda maiores do que 760 nm). Quando em outros habitats, a C. thermalis volta a funcionar novamente com a clorofila a no vermelho tradicional.


         Esse é um sistema completamente novo de fotossíntese. Até o momento conhecia-se apenas uma espécie do gênero Acaryochloris já mencionado que mantém uma fotossíntese acima do limite do vermelho. Mas como essa era a única exceção e estabelecida em um habitat bastante específico (muito escuro, ou seja, sempre funciona com a fotossíntese acima do limite do vermelho), os cientistas a consideravam apenas um ponto fora da curva e uma evolução bem específica para se aproveitar um único tipo de fotossíntese.

         O novo achado, portanto, seria um terceiro tipo de fotossíntese bastante disseminado, e que consegue permutar entre picos ideais de absorção: 680/700 nm (clorofila a) e 727/745 nm (clorofila f e d). Possivelmente para a proteção contra danos da radiação luminosa o sistema só opera com um ou outro, conseguindo se manter estável em uma diversa gama de ambientes. Isso também pode explicar porque o aproveitamento da região além do limite do vermelho para bactérias como a C. thermalis não tinha ainda sido detectado, por só funcionar em ambientes com baixíssima luminosidade.

         Além dessa descoberta mudar o nosso entendimento de como a fotossíntese opera nos ecossistemas, isso abre as portas também para novas estratégias de otimizar o rendimento das plantações. Via engenharia genética, poderia ser possível incorporar esse novo tipo de sistema fotoquímico, permitindo que as plantas processem bem a fotossíntese mesmo em condições de pouca luminosidade (tempo nublado e outras fontes diversas de sombra). Além disso, isso traz implicações para o campo da astrobiologia. Na busca por planetas e satélites potencialmente habitados, pesquisadores geralmente tendem a procurar por aqueles corpos e sistemas estelares que consigam fornecer ou receber boa quantidade de luz até o limite 680-700. Agora, o novo sistema fotoquímico pode permitir uma vida bastante diversificada - pelo menos com base no nosso entendimento de 'vida' - em planetas que recebem bem menos radiação na faixa abaixo do limite de 700 nm.



REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://science.sciencemag.org/content/360/6394/1210 
  2. https://www.imperial.ac.uk/news/186732/new-type-photosynthesis-discovered/ 
  3. http://www.life.illinois.edu/govindjee/encyc/encarta.htm 
  4. https://askdruniverse.wsu.edu/2017/03/13/why-are-plants-green/
  5. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/p680
  6. https://extension.unl.edu/statewide/antelope/Plant%20Growth%20Processes.pdf
  7. http://www.protein.bio.msu.ru/biokhimiya/contents/v79/pdf/bcm_0227.pdf
  8. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bi047922p
  9. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272801001980
  10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3192958/