Fotossíntese no vermelho-distante: como cianobactérias ultrapassam o limite vermelho no Fotossistema II

A fotossíntese funciona com luz visível - durante tanto tempo isso foi tratado como certo que quase nem se menciona.

Por isso, a luz para além do vermelho mais profundo que o olho humano consegue ver foi considerada fraca demais para separar a água e sustentar a química da vida.

Mesmo assim, um pequeno conjunto de micróbios faz exatamente isso.

Os cientistas sabem há mais de uma década que esses organismos existem, mas faltava uma visão completa de como o mecanismo opera - quais pigmentos ocupam cada posição e que comprimento de onda cada um absorve.

O limite vermelho

Essa fronteira ganhou até nome: o limite vermelho. Em torno de 700 nanômetros, a luz vermelha marca o maior comprimento de onda que a maioria dos seres fotossintéticos consegue aproveitar, e quase todas as plantas e cianobactérias do planeta permanecem dentro desse intervalo.

As cianobactérias - microrganismos antigos que já foram agrupados com as algas - trazem algumas exceções notáveis.

Em sombra profunda, onde a luz “normal” se torna escassa, certas espécies ativam um modo de sobrevivência que usa luz vermelho-distante, o brilho fraco próximo do infravermelho que se estende na direção de 800 nanômetros.

Uma equipa liderada pelo Professor A. William Rutherford, do Imperial College de Londres, decidiu mapear em detalhe esse “equipamento” oculto.

Esses micróbios prosperam em lugares apertados e sombreados - sob crostas de rocha, dentro de tapetes viscosos - onde a luz visível já foi praticamente esgotada.

O papel da clorofila

O segredo está nos pigmentos. Na fotossíntese do dia a dia, o processo depende sobretudo da clorofila a, a molécula que deixa as folhas verdes e captura luz vermelha e azul.

Quando vivem sob condições de vermelho-distante, esses micróbios passam a produzir pequenas quantidades de dois parentes mais “avermelhados”.

A maior parte do novo pigmento é a clorofila f, ajustada para absorver comprimentos de onda mais longos, acompanhada por uma única molécula de uma prima chamada clorofila d - uma variação mais vermelha do pigmento verde habitual.

Inserir esses pigmentos não é apenas um detalhe estrutural: eles fazem trabalho químico real.

Um estudo anterior já havia mostrado que a luz vermelho-distante, embora carregue menos energia do que a luz vermelha, ainda consegue quebrar moléculas de água e libertar oxigénio.

Olhando por dentro em detalhe

Para descobrir onde cada pigmento se encaixa, a equipa congelou amostras da maquinaria fotossintética e as registou com microscopia crioeletrônica, uma técnica capaz de revelar proteínas com detalhe próximo do nível atómico.

Quanto mais nítida a imagem, maior a segurança para posicionar uma única molécula no lugar certo.

O alvo foi o Fotossistema II, o conjunto proteico que arranca eletrões da água e produz o oxigénio que respiramos.

Na versão que opera no vermelho-distante, vários dos pigmentos padrão são discretamente substituídos pelos mais “vermelhos”.

As imagens congeladas também revelaram uma surpresa na “armação” que mantém esses pigmentos fixos: um trecho do arcabouço proteico parecia diferente de tudo o que se vê na versão do complexo que funciona à luz do dia.

Uma subunidade extra

Em um dos dois micróbios, a estrutura expôs uma parte proteica sem equivalente no Fotossistema II comum.

Os investigadores chamaram esse componente exclusivo do vermelho-distante de PsbH2′ e observaram que ele acomoda um dos pigmentos vermelhos - hardware feito sob medida para uma tarefa específica.

Trabalhos anteriores tinham apenas esboçado posições aproximadas para esses pigmentos, em grande parte com base em pistas indiretas. Associar, com esse nível de clareza, uma proteína dedicada a um encaixe específico de pigmento não tinha sido conseguido antes.

E essa peça adicional não está ali só para “ocupar espaço”. Tudo indica que ela ajuda a formar e estabilizar a cavidade onde um pigmento de vermelho-distante se fixa.

Ao que parece, componentes feitos sob encomenda evoluíram apenas para alojar a química de comprimentos de onda longos.

Duas cianobactérias lado a lado

A comparação girou em torno de duas cianobactérias com configurações bem diferentes. Uma delas trazia o conjunto completo de alterações. A outra operava com uma versão simplificada.

Na espécie mais equipada, havia quatro posições distintas dentro do complexo onde a clorofila f se instala.

A espécie mais simples apresentava apenas duas dessas posições e, além disso, não tinha a peça extra PsbH2′.

Essa diferença é reveladora. Ela sugere que alguns encaixes de pigmento para vermelho-distante são essenciais e aparecem em várias espécies, enquanto outros são “extras” opcionais que só alguns micróbios chegam a montar.

Atribuindo cada cor

Preencher esse mapa com cores foi a parte mais difícil.

Cada pigmento vermelho absorve um comprimento de onda ligeiramente diferente, e durante anos ninguém conseguiu dizer com confiança que molécula correspondia a que “cor”. Era uma lacuna persistente.

Ao combinar a estrutura com medições de absorção de luz e com a árvore evolutiva das proteínas, a equipa conseguiu associar um comprimento de onda específico a cada pigmento de comprimento de onda longo no complexo.

Nenhuma abordagem isolada teria resolvido isso. Esses tons provavelmente influenciam como a energia circula pelo sistema.

Os pigmentos mais vermelhos tornam a maquinaria mais lenta; ainda assim, um artigo apontou que pigmentos companheiros de captação de luz podem recuperar grande parte do ritmo perdido.

O que vem a seguir

Pela primeira vez, os cientistas dispõem de um diagrama de ligações que identifica, no Fotossistema II de vermelho-distante, cada pigmento vermelho pela sua localização e pela sua “cor” específica.

Com isso, a antiga tentativa e erro sobre que molécula faz o quê dá lugar, em grande medida, a um mapa medido.

Esse mapa abre possibilidades concretas. Há muito tempo se pretende introduzir a captação de vermelho-distante em plantas agrícolas e em algas de lagoas, permitindo-lhes usar uma fatia da luz solar - quase um sexto do que chega ao solo - que as plantas atuais não aproveitam.

Ter um projeto claro torna esse tipo de engenharia muito mais viável.

Esses micróbios não são apenas uma curiosidade de laboratório. Eles realizam, de forma discreta, fotossíntese produtora de oxigénio em desertos, fontes termais e rochas sombreadas em diferentes partes do mundo.

Decifrar os seus pigmentos torna mais nítida uma pergunta antiga: até que ponto a vida consegue dobrar as regras da luz para continuar a existir.