Innowacyjny hack fotosyntezy toruje drogę przełomom w dziedzinie energii odnawialnej

Naukowcy „zhakowali” wczesne etapy[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

Chociaż fotosynteza jest powszechnie znanym i intensywnie badanym procesem, naukowcy z University of Cambridge odkryli, że wciąż skrywa ona wiele tajemnic. Korzystając z technik ultraszybkiej spektroskopii, odkryli, że ekstrakcja elektronów ze struktur molekularnych odpowiedzialnych za fotosyntezę zachodzi na wcześniejszych etapach, niż wcześniej zakładano. To „ponowne okablowanie” fotosyntezy może doprowadzić do lepszego zarządzania nadmiarem energii i opracowania nowych, bardziej wydajnych sposobów wykorzystania jej potencjału. Źródło: Mary Ayers

„Nie wiedzieliśmy tak dużo o fotosyntezie, jak myśleliśmy, a nowy szlak przenoszenia elektronów, który tu znaleźliśmy, jest dość zaskakujący” – powiedział dr.

Chociaż fotosynteza jest procesem naturalnym, naukowcy badali również, w jaki sposób można ją wykorzystać do walki z kryzysem klimatycznym, na przykład poprzez symulację procesów fotosyntezy w celu wytworzenia czystych paliw ze światła słonecznego i wody.

Zhang i jej koledzy początkowo próbowali zrozumieć, dlaczego cząsteczka w kształcie pierścienia zwana chinonem może „kraść” elektrony z fotosyntezy. Alkenony są powszechne w naturze i mogą łatwo przyjmować i oddawać elektrony. Naukowcy wykorzystali technikę zwaną ultraszybką transjentową spektroskopią absorpcyjną, aby zbadać, jak chinony zachowują się w fotosyntetycznych sinicach.

Międzynarodowy zespół naukowców badał proces fotosyntezy w żywych komórkach w ultraszybkiej skali czasowej wynoszącej jedną milionową części sekundy. Pomimo szeroko zakrojonych badań fotosynteza wciąż skrywa nieodkryte tajemnice. Korzystając z technik ultraszybkiej spektroskopii, zespół odkrył, że substancje chemiczne pobierają elektrony ze struktur molekularnych biorących udział w fotosyntezie na znacznie wcześniejszych etapach, niż wcześniej sądzono. To „ponowne okablowanie” może poprawić obsługę nadmiaru mocy w procesie i wygenerować nowe, wydajne sposoby wykorzystania jej mocy. Źródło: Tommy Peake

„Nikt właściwie nie zbadał, w jaki sposób ta cząsteczka oddziałuje z mechanizmami fotosyntezy na tak wczesnym etapie fotosyntezy: myśleliśmy, że używamy nowej techniki, aby potwierdzić to, co już wiemy” – powiedział Zhang. „Zamiast tego znaleźliśmy zupełnie nową ścieżkę i trochę otworzyliśmy czarną skrzynkę fotosyntezy”.

Wykorzystując ultraszybką spektroskopię do monitorowania elektronów, naukowcy odkryli, że rusztowanie białkowe, w którym zachodzą początkowe reakcje chemiczne fotosyntezy, jest „nieszczelne”, umożliwiając ucieczkę elektronom. To przesączanie może pomóc roślinom chronić się przed uszkodzeniem przez jasne lub szybko zmieniające się światło.

„Fizyka fotosyntezy jest niesamowicie imponująca” – powiedział współautor Tomi Baikie z Cavendish Laboratory w Cambridge. „Zwykle pracujemy z materiałami wyższego rzędu, ale obserwacja transportu ładunków przez komórki otwiera wspaniałe możliwości nowych odkryć dotyczących działania natury”.

powiedziała współautorka dr Laura Way, która pracowała na Wydziale Biochemii, obecnie z siedzibą na Uniwersytecie w Turku w Finlandii. „Fakt, że nie wiedzieliśmy, że ta ścieżka istnieje, jest ekscytujący, ponieważ możemy ją wykorzystać do pozyskiwania większej ilości energii ze źródeł odnawialnych”.

Naukowcy twierdzą, że zdolność do wydobywania ładunku na wczesnym etapie procesu fotosyntezy może sprawić, że proces będzie bardziej wydajny podczas manipulowania ścieżkami fotosyntezy w celu wytworzenia czystego paliwa ze słońca. Ponadto zdolność do regulowania fotosyntezy może oznaczać, że rośliny uprawne mogą lepiej znosić intensywne światło słoneczne.

„Wielu naukowców próbowało wydobyć elektrony z wcześniejszego punktu fotosyntezy, ale powiedzieli, że nie jest to możliwe, ponieważ energia jest zakopana w rusztowaniu białkowym” – powiedział Zhang. „Fakt, że mogliśmy go ukraść podczas wcześniejszej operacji, jest niesamowity. Na początku myśleliśmy, że popełniliśmy błąd: trochę czasu zajęło nam przekonanie się, że to zrobiliśmy”.

Kluczem do odkrycia było zastosowanie ultraszybkiej spektroskopii, która pozwoliła naukowcom śledzić przepływ energii w żywych komórkach fotosyntetycznych w skali femtosekundy – jednej tysięcznej bilionowej części sekundy.

„Korzystanie z tych ultraszybkich metod pozwoliło nam lepiej zrozumieć wczesne procesy fotosyntezy, od których zależy życie na Ziemi” – powiedział współautor, profesor Christopher Howe z Wydziału Biochemii.

Odniesienie: „Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao i Jenny Zhang, 22 marca 2023 r., Dostępne tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Badania były częściowo wspierane przez Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), Radę ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi (BBSRC) i są częścią brytyjskich badań i innowacji (UKRI), a także Winton Program for Sustainability Physics w Uniwersytet. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Fundusz Europejski i Międzynarodowy oraz Program Badań i Innowacji UE Horyzont 2020. Jenny Zhang jest stypendystką Davida Phillipsa na Wydziale Chemii oraz Corpus Christi College w Cambridge. Tomi Baikie jest członkiem NanoFutures w Cavendish Laboratory. Laura Way jest stypendystką Fundacji Novo Nordisk na Uniwersytecie w Turku.