Pelas novas percepções dos detalhes da separação fotossintética da água, as perspectivas para o desenvolvimento de combustíveis limpos baseados na água e na luz solar estão melhorando
Os problemas de fornecimento de energia da sociedade poderiam ser resolvidos no futuro usando um modelo adotado da natureza. Durante a fotossíntese, plantas, algas e algumas espécies de bactérias produzem açúcares e outras substâncias ricas em energia (isto é, combustíveis) usando energia solar. Uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química em Mülheim an der Ruhr está atualmente desenvolvendo métodos experimentais para verificar como este processo ocorre na natureza. Os cientistas estão a investigar um cofactor particularmente importante envolvido na fotossíntese, um complexo manganês-cálcio, que utiliza energia solar para dividir a água em oxigénio molecular. Eles determinaram a estrutura exata deste complexo em um estágio crucial desta reação química. Isto levou a uma sugestão detalhada sobre como o oxigênio molecular, O2, é formado neste complexo metálico. Através destes novos conhecimentos sobre fotossíntese, os cientistas forneceram um plano para sistemas sintéticos que poderiam armazenar energia solar em portadores de energia química.
A estrutura do aglomerado de manganês tal como é encontrado na natureza e antes da formação da ligação O-O. No fundo, o ciclo de divisão de água com os estados intermediários S0 a S4. © Diagrama: MPI para Conversão de Energia Química 
Por mais de três bilhões de anos, a natureza tem usado a luz solar como sua fonte primária de energia na fotossíntese. No decorrer deste processo, plantas, algas e cianobactérias (algas verde-azuladas) utilizam a luz solar para dividir a água e produzir compostos químicos ricos em energia a partir do dióxido de carbono (CO2). O produto final são os hidratos de carbono que, na natureza, actuam como combustíveis solares na célula viva. Embora as reações básicas envolvidas na fotossíntese sejam conhecidas há muito tempo, pesquisadores do Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química em Mülheim an der Ruhr e do Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) em Saclay, França, conseguiram agora explicar detalhes importantes do processo de divisão da água induzida pela luz. Como resultado, eles refinaram a base científica para a geração de combustíveis solares ecológicos e de baixo custo através da fotossíntese artificial usando luz solar e água, um desenvolvimento que poderia permitir à sociedade acabar com sua dependência de combustíveis fósseis como petróleo, carvão e gás natural.
Um catalisador de divisão da água
A divisão catalítica da água induzida pela luz ocorre em um complexo metálico que está embutido em uma grande proteína de membrana (photosystem II). Este complexo é composto por quatro átomos de manganês (Mn) e um de cálcio (Ca), que são mantidos juntos através de uma rede de pontes de oxigénio (ver imagem). Este complexo água-oxidante ou oxigénio-evolução sofre um ciclo complicado que liberta electrões e prótons, logo, em última análise, hidrogénio e oxigénio molecular.
Num artigo publicado esta semana na revista Science, a equipa de investigação germano-francesa apresenta a estrutura deste complexo manganês-cálcio directamente antes da produção de oxigénio. Esta visão de uma etapa chave da fotossíntese de plantas é altamente significativa: fornece uma compreensão mais detalhada do mecanismo envolvido na fotossíntese e permitirá o desenvolvimento de sistemas sintéticos para divisão de água induzida pela luz com base neste modelo.
O estudo é o resultado de uma estreita cooperação entre os Departamentos de Química Biofísica e Teoria Molecular do Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química sob a liderança de Wolfgang Lubitz e Frank Neese. Dentro destes departamentos, Nicholas Cox e Dimitrios Pantazis reuniram uma equipe interdisciplinar que visa obter uma melhor compreensão dos detalhes moleculares da divisão da água na natureza.
Três desafios colocados pela pesquisa do photosistema II
O primeiro desafio enfrentado pelos pesquisadores envolveu a extração e purificação do photosistema II com um complexo de separação de água totalmente intacto do organismo original, um cianobactéria termófila, que se encontra em fontes termais e vulcões no Japão e é muito robusto. Para cumprir os requisitos muito rigorosos relativos à qualidade da preparação, os pesquisadores em Saclay tiveram que realizar vários anos de trabalho de desenvolvimento em cooperação com pesquisadores do Japão.
O segundo desafio que a equipe de pesquisa encontrou foi a caracterização do complexo de manganês no photosistema II durante as diferentes etapas de separação da água. Os investigadores do Departamento de Química Biofísica do Instituto Max Planck de Mülheim superaram este obstáculo com a ajuda da ressonância paramagnética electrónica (EPR). Esta técnica permite visualizar a distribuição dos elétrons em uma molécula ou complexo metálico e, assim, proporcionar uma visão profunda dos estágios individuais de divisão da água. “Estas medições geraram novas informações e permitiram a resolução de problemas relativos à análise detalhada de estruturas moleculares no ciclo de reacção que não são acessíveis através de outros métodos”, diz o Dr. Alain Boussac do CEA Saclay.
Finalmente, o terceiro desafio consistiu em utilizar as informações obtidas para produzir um modelo estrutural completo do biocatalisador. Os cálculos necessários para este processo foram facilitados utilizando novos métodos teóricos e os supercomputadores do Departamento de Teoria Molecular do Instituto Max Planck. Desta forma, os pesquisadores conseguiram mostrar que durante a fase tardia do ciclo de reação, uma segunda molécula de água se liga ao lado de um átomo de oxigênio ativo no complexo e libera um próton. Isto leva à formação da ligação O-O no próximo passo.
Combustível da luz solar – copiando a natureza
Até esta descodificação da estrutura e função do catalisador de divisão da água no fotossistema II a nível atómico, uma explicação do mecanismo de divisão da água está agora ao alcance. Este conhecimento permite a identificação de critérios importantes para a concepção de catalisadores sintéticos similares que dividem a água utilizando elementos ecológicos, de baixo custo e facilmente disponíveis. Actualmente, a platina e outros metais raros ou complexos metálicos caros são amplamente utilizados para este fim. Isto torna a produção em larga escala de portadores de energia renovável (combustíveis) como o hidrogênio muito cara, ou mesmo impossível.
Com a ajuda de catalisadores de inspiração biológica, o hidrogênio ou outro combustível solar poderia ser produzido a baixo custo através da combinação de dispositivos de energia solar com catalisadores separadores de água para a geração de combustíveis solares em vez de eletricidade. Isto permitiria ao sector energético superar os principais problemas associados à energia solar: a luz solar não está disponível 24 horas por dia como fonte de energia e a electricidade não é muito adequada para o funcionamento de veículos motorizados. Em contraste, o conceito de combustível solar permite o armazenamento direto da energia solar em compostos químicos e, portanto, o uso dessa energia em qualquer momento ou lugar.
“Os combustíveis solares sintéticos abrem amplas possibilidades para as tecnologias de energia renovável, em particular para os setores de transporte e infraestrutura, que ainda dependem dos combustíveis fósseis”, diz o professor Wolfgang Lubitz, diretor do Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química. “Um eficiente catalisador de divisão da água baseado em metais comuns como o manganês representaria um enorme progresso aqui”. O conhecimento adquirido sobre a enzima de divisão de água da natureza através desta pesquisa lançou as bases para tais desenvolvimentos”
ES/PH