Výskumníci „hackli“ počiatočné štádiá[{“ 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.

Aj keď je fotosyntéza všeobecne známy a značne študovaný proces, vedci z University of Cambridge zistili, že stále skrýva skryté tajomstvá. Použitím ultrarýchlych spektroskopických techník zistili, že extrakcia elektrónov z molekulárnych štruktúr zodpovedných za fotosyntézu prebieha v skorších štádiách, ako sa pôvodne predpokladalo. Toto „prepojenie“ fotosyntézy by mohlo viesť k lepšiemu hospodáreniu s prebytočnou energiou a vývoju nových, efektívnejších spôsobov, ako využiť jej potenciál. Poďakovanie: Mary Ayers

„Nevedeli sme o fotosyntéze toľko, ako sme si mysleli, a nová cesta prenosu elektrónov, ktorú sme tu našli, je celkom prekvapivá,“ povedal Dr.

Zatiaľ čo fotosyntéza je prirodzený proces, vedci tiež študovali, ako by sa dala použiť na pomoc pri riešení klimatickej krízy, napríklad simuláciou fotosyntetických procesov na výrobu čistých palív zo slnečného žiarenia a vody.

Zhang a jej kolegovia sa pôvodne snažili pochopiť, prečo by molekula v tvare prstenca nazývaná chinón mohla „ukradnúť“ elektróny z fotosyntézy. Alkenóny sú v prírode bežné a môžu ľahko prijať a vzdať sa elektrónov. Vedci použili techniku ​​nazývanú ultrarýchla prechodná absorpčná spektroskopia, aby študovali, ako sa chinóny správajú vo fotosyntetických cyanobaktériách.

Medzinárodný tím vedcov študoval proces fotosyntézy v živých bunkách v ultrarýchlom časovom meradle milióntiny milióntiny sekundy. Napriek rozsiahlemu výskumu má fotosyntéza stále neobjavené tajomstvá. Pomocou ultrarýchlych spektroskopických techník tím zistil, že chemikálie extrahujú elektróny z molekulárnych štruktúr zapojených do fotosyntézy v oveľa skorších štádiách, ako sa predtým myslelo. Toto „prekáblovanie“ môže zlepšiť spracovanie prebytočného výkonu procesu a vytvoriť nové, efektívne spôsoby využitia jeho výkonu. Poďakovanie: Tommy Peake

„Nikto poriadne neštudoval, ako táto molekula interaguje s mechanizmami fotosyntézy v tak ranom štádiu fotosyntézy: mysleli sme si, že používame novú techniku ​​na potvrdenie toho, čo sme už vedeli,“ povedal Zhang. „Namiesto toho sme našli úplne novú cestu a trochu sme otvorili čiernu skrinku fotosyntézy.“

Pomocou ultrarýchlej spektroskopie na monitorovanie elektrónov výskumníci zistili, že proteínové lešenie, kde dochádza k počiatočným chemickým reakciám fotosyntézy, je „netesné“, čo umožňuje elektrónom uniknúť. Toto presakovanie môže pomôcť rastlinám chrániť sa pred poškodením jasným alebo rýchlo sa meniacim svetlom.

„Fyzika fotosyntézy je neuveriteľne pôsobivá,“ povedal spoluautor štúdie Tomi Baikie z Cavendish Laboratory v Cambridge. „Normálne pracujeme s materiálmi vyššieho rádu, ale pozorovanie prenosu náboja cez bunky otvára úžasné príležitosti pre nové objavy o tom, ako funguje príroda.“

povedala spoluautorka Dr Laura Way, ktorá pracovala na oddelení biochémie, teraz sídliacej na univerzite v Turku vo Fínsku. „Skutočnosť, že sme nevedeli, že táto cesta existuje, je vzrušujúca, pretože ju môžeme využiť na získanie väčšieho množstva energie z obnoviteľných zdrojov.“

Vedci tvrdia, že schopnosť extrahovať náklad na začiatku procesu fotosyntézy by mohla tento proces zefektívniť pri manipulácii s fotosyntetickými cestami na výrobu čistého paliva zo slnka. Okrem toho schopnosť regulovať fotosyntézu môže znamenať, že plodiny by mohli lepšie odolávať intenzívnemu slnečnému žiareniu.

„Mnoho vedcov sa pokúsilo extrahovať elektróny zo skoršieho bodu fotosyntézy, ale povedali, že to nie je možné, pretože energia je pochovaná v proteínovom lešení,“ povedal Zhang. „Skutočnosť, že sme ho mohli ukradnúť pri predchádzajúcej operácii, je úžasná. Najprv sme si mysleli, že sme urobili chybu: chvíľu trvalo, kým sme sa presvedčili, že sme to urobili.“

Kľúčom k objavu bolo použitie ultrarýchlej spektroskopie, ktorá umožnila výskumníkom sledovať tok energie v živých fotosyntetických bunkách na femtosekundovej škále – tisícine bilióntiny sekundy.

„Používanie týchto ultrarýchlych metód nám umožnilo viac porozumieť raným udalostiam vo fotosyntéze, od ktorých závisí život na Zemi,“ povedal spoluautor profesor Christopher Howe z Katedry biochémie.

Referencia: “Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” od 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 a Jenny Zhang, 22. marec 2023, k dispozícii tu. prírody.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Výskum čiastočne podporila Rada pre výskum inžinierskych a fyzikálnych vied (EPSRC), Rada pre výskum biotechnológií a biologických vied (BBSRC) a je súčasťou britského výskumu a inovácií (UKRI), ako aj Wintonovho programu pre fyziku udržateľnosti na univerzita. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Európsky a medzinárodný fond a program EÚ pre výskum a inovácie Horizont 2020. Jenny Zhang je členkou Davida Phillipsa na Katedre chémie a členkou Corpus Christi College v Cambridge. Tomi Baikie je členom NanoFutures v Cavendish Laboratory. Laura Way je postdoktorandkou v Nadácii Novo Nordisk, Univerzita v Turku.