Inovativní hack fotosyntézy připravuje cestu k průlomům v oblasti obnovitelné energie

Výzkumníci „hackli“ raná stádia[{“ 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.

Přestože je fotosyntéza široce známý a rozsáhle studovaný proces, vědci z University of Cambridge zjistili, že stále skrývá skrytá tajemství. Pomocí technik ultrarychlé spektroskopie zjistili, že extrakce elektronů z molekulárních struktur odpovědných za fotosyntézu probíhá v dřívějších fázích, než se dříve předpokládalo. Toto „přepojení“ fotosyntézy by mohlo vést k lepšímu hospodaření s přebytečnou energií a vývoji nových, efektivnějších způsobů, jak využít její potenciál. Kredit: Mary Ayers

„Nevěděli jsme o fotosyntéze tolik, jak jsme si mysleli, a nová cesta přenosu elektronů, kterou jsme zde našli, je docela překvapivá,“ řekl Dr.

Zatímco fotosyntéza je přirozený proces, vědci také studovali, jak by mohla být použita k řešení klimatické krize, například simulací fotosyntetických procesů k výrobě čistých paliv ze slunečního záření a vody.

Zhang a její kolegové se původně snažili pochopit, proč by molekula ve tvaru prstence zvaná chinon mohla „ukrást“ elektrony z fotosyntézy. Alkenony jsou v přírodě běžné a mohou snadno přijímat a odevzdávat elektrony. Vědci použili techniku ​​zvanou ultrarychlá přechodná absorpční spektroskopie ke studiu toho, jak se chinony chovají ve fotosyntetických sinicích.

Mezinárodní tým vědců studoval proces fotosyntézy v živých buňkách v ultrarychlém časovém měřítku miliontiny miliontiny sekundy. Navzdory rozsáhlému výzkumu skrývá fotosyntéza stále neobjevená tajemství. Pomocí technik ultrarychlé spektroskopie tým zjistil, že chemikálie extrahují elektrony z molekulárních struktur zapojených do fotosyntézy v mnohem dřívějších fázích, než se dříve myslelo. Toto „přepojení“ může zlepšit proces nakládání s přebytečným výkonem a vytvořit nové, efektivní způsoby, jak využít jeho výkon. Kredit: Tommy Peake

„Nikdo řádně nezkoumal, jak tato molekula interaguje s mechanismy fotosyntézy v tak rané fázi fotosyntézy: mysleli jsme, že používáme novou techniku ​​k potvrzení toho, co jsme již věděli,“ řekl Zhang. „Místo toho jsme našli úplně novou cestu a trochu jsme otevřeli černou skříňku fotosyntézy.“

Pomocí ultrarychlé spektroskopie k monitorování elektronů vědci zjistili, že proteinové lešení, kde dochází k počátečním chemickým reakcím fotosyntézy, je „děravé“, což umožňuje elektronům uniknout. Toto prosakování může pomoci rostlinám chránit se před poškozením jasným nebo rychle se měnícím světlem.

„Fyzika fotosyntézy je neuvěřitelně působivá,“ řekl spoluautor Tomi Baikie z Cavendish Laboratory v Cambridge. „Normálně pracujeme s materiály vyššího řádu, ale pozorování přenosu náboje buňkami otevírá skvělé příležitosti pro nové objevy o tom, jak příroda funguje.“

řekla spoluautorka Dr Laura Way, která pracovala na katedře biochemie, nyní sídlící na univerzitě v Turku ve Finsku. „Skutečnost, že jsme nevěděli, že tato cesta existuje, je vzrušující, protože ji můžeme využít k získání více energie z obnovitelných zdrojů.“

Vědci říkají, že schopnost extrahovat náklad v rané fázi procesu fotosyntézy by mohla tento proces zefektivnit při manipulaci s fotosyntetickými cestami k výrobě čistého paliva ze slunce. Navíc schopnost regulovat fotosyntézu může znamenat, že plodiny by mohly lépe odolávat intenzivnímu slunečnímu záření.

„Mnoho vědců se pokusilo extrahovat elektrony z dřívějšího bodu fotosyntézy, ale řekli, že to není možné, protože energie je pohřbena v proteinovém lešení,“ řekl Zhang. „Skutečnost, že jsme to mohli ukrást při dřívější operaci, je úžasná. Nejprve jsme si mysleli, že jsme udělali chybu: chvíli nám trvalo, než jsme se přesvědčili, že jsme to udělali.“

Klíčem k objevu bylo použití ultrarychlé spektroskopie, která výzkumníkům umožnila sledovat tok energie v živých fotosyntetických buňkách na femtosekundovém měřítku – jedné tisícině biliontiny sekundy.

„Použití těchto ultrarychlých metod nám umožnilo více porozumět raným událostem ve fotosyntéze, na které závisí život na Zemi,“ řekl spoluautor profesor Christopher Howe z katedry biochemie.

Reference: “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. března 2023, k dispozici zde. Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Výzkum byl částečně podporován Radou pro výzkum inženýrských a fyzikálních věd (EPSRC), Radou pro výzkum biotechnologií a biologických věd (BBSRC) a je součástí britského výzkumu a inovací (UKRI), stejně jako Winton Program for Sustainability Physics na univerzita. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Evropský a mezinárodní fond a program EU Horizon 2020 Research and Innovation Programme Jenny Zhang je členkou Davida Phillipse na katedře chemie a členkou Corpus Christi College v Cambridge. Tomi Baikie je členem NanoFutures v Cavendish Laboratory. Laura Way je postdoktorandkou na Novo Nordisk Foundation, University of Turku.