Az innovatív fotoszintézis-hack utat nyit a megújuló energiaforrások áttörései előtt

A kutatók „feltörték” a korai szakaszát[{” 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.

Bár a fotoszintézis széles körben ismert és alaposan tanulmányozott folyamat, a Cambridge-i Egyetem kutatói felfedezték, hogy még mindig rejtett titkokat rejt. Ultragyors spektroszkópiai technikák alkalmazásával azt találták, hogy a fotoszintézisért felelős molekulaszerkezetekből az elektronok kivonása a korábban feltételezettnél korábbi szakaszokban történik. A fotoszintézisnek ez az „újrahuzalozása” a felesleges energia jobb kezeléséhez és új, hatékonyabb módszerek kifejlesztéséhez vezethet a benne rejlő lehetőségek kiaknázására. Köszönetnyilvánítás: Mary Ayers

„Nem tudtunk annyit a fotoszintézisről, mint gondoltuk, és az új elektronátviteli útvonal, amelyet itt találtunk, meglehetősen meglepő” – mondta Dr.

Míg a fotoszintézis természetes folyamat, a tudósok azt is tanulmányozták, hogyan lehetne felhasználni az éghajlati válság leküzdésére, például fotoszintetikus folyamatok szimulálásával tiszta tüzelőanyag előállítására a napfényből és a vízből.

Zhang és kollégái eredetileg azt próbálták megérteni, hogy egy kinonnak nevezett gyűrű alakú molekula miért „lophat el” elektronokat a fotoszintézisből. Az alkenonok gyakoriak a természetben, könnyen befogadják és feladják az elektronokat. A kutatók az ultragyors tranziens abszorpciós spektroszkópia nevű technikát alkalmazták annak tanulmányozására, hogyan viselkednek a kinonok a fotoszintetikus cianobaktériumokban.

Egy nemzetközi tudóscsoport az élő sejtekben zajló fotoszintézis folyamatát vizsgálta ultragyors időskálán, a másodperc milliomodrészének egymilliomod részében. A kiterjedt kutatás ellenére a fotoszintézis még mindig rejteget feltáratlan titkokat. Ultragyors spektroszkópiai technikák segítségével a csapat felfedezte, hogy a vegyszerek a korábban gondoltnál sokkal korábbi szakaszokban vonják ki az elektronokat a fotoszintézisben részt vevő molekuláris szerkezetekből. Ez az „újrahuzalozás” javíthatja a folyamatban a többletteljesítmény kezelését, és új, hatékony módokat hozhat létre a teljesítmény hasznosítására. Köszönetnyilvánítás: Tommy Peake

„Senki sem tanulmányozta megfelelően, hogy ez a molekula hogyan lép kölcsönhatásba a fotoszintézis mechanizmusaival a fotoszintézis ilyen korai szakaszában: úgy gondoltuk, hogy egy új technikát használunk annak megerősítésére, amit már tudunk” – mondta Zhang. „Ehelyett találtunk egy teljesen új utat, és egy kicsit kinyitottuk a fotoszintézis fekete dobozát.”

Ultragyors spektroszkópia segítségével az elektronok megfigyelésére a kutatók azt találták, hogy a fehérjeváz, ahol a fotoszintézis kezdeti kémiai reakciói végbemennek, „szivárog”, ami lehetővé teszi az elektronok kiszabadulását. Ez a szivárgás segíthet a növényeknek megvédeni magukat az erős vagy gyorsan változó fény által okozott károktól.

„A fotoszintézis fizikája hihetetlenül lenyűgöző” – mondta Tomi Baikie társszerző, a cambridge-i Cavendish Laboratóriumból. „Általában magasabb rendű anyagokkal dolgozunk, de a sejteken keresztüli töltésszállítás megfigyelése csodálatos lehetőségeket nyit meg a természet működésével kapcsolatos új felfedezések előtt.”

– mondta Dr. Laura Way társszerző, aki jelenleg a finn Turku Egyetem Biokémiai Tanszékén végezte a munkát. „Az a tény, hogy nem tudtuk, hogy létezik ez az út, izgalmas, mert kihasználhatjuk, hogy több energiát nyerjünk ki a megújuló energiaforrásokból.”

A kutatók szerint a rakomány kinyerése a fotoszintézis folyamatának korai szakaszában hatékonyabbá teheti a folyamatot, amikor a fotoszintetikus utakat manipulálják, hogy tiszta tüzelőanyagot állítsanak elő a napból. Ezenkívül a fotoszintézis szabályozásának képessége azt jelentheti, hogy a növények jobban képesek ellenállni az intenzív napfénynek.

„Sok tudós megpróbált elektronokat kinyerni a fotoszintézis egy korábbi pontjáról, de azt mondták, hogy ez nem lehetséges, mert az energia a fehérjeállványban van eltemetve” – ​​mondta Zhang. „Elképesztő, hogy egy korábbi művelet során el tudtuk lopni. Először azt hittük, hibáztunk: eltartott egy ideig, amíg meggyőztük magunkat, hogy megcsináltuk.”

A felfedezés kulcsa az ultragyors spektroszkópia alkalmazása volt, amely lehetővé tette a kutatók számára, hogy femtoszekundumos skálán kövessék az élő fotoszintetikus sejtekben zajló energia áramlását – ez a másodperc egy ezred trilliod része.

„Ezeknek az ultragyors módszereknek a használata lehetővé tette számunkra, hogy jobban megértsük a fotoszintézis korai eseményeit, amelyektől a földi élet függ” – mondta Christopher Howe professzor, a Biokémiai Tanszék társszerzője.

Hivatkozás: „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 és Jenny Zhang, 2023. március 22., elérhető itt. természet.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

A kutatást részben a Műszaki és Fizikai Tudományok Kutatási Tanácsa (EPSRC), a Biotechnológiai és Biológiai Tudományok Kutatási Tanácsa (BBSRC) támogatta, és része a UK Research and Innovation (UKRI), valamint a Winton Program for Sustainability Physics programnak. Az egyetem. Cambridge, Commonwridge of Cambridge, Európai és Nemzetközi Alap, valamint az EU Horizont 2020 kutatási és innovációs programja. Jenny Zhang David Phillips-ösztöndíjas a Kémia Tanszéken, valamint a Cambridge-i Corpus Christi College munkatársa. Tomi Baikie a Cavendish Laboratórium NanoFutures munkatársa. Laura Way a Turkui Egyetem Novo Nordisk Alapítványának posztdoktori ösztöndíjasa.