Ontdek het geheim achter zijn verbazingwekkende efficiëntie bij het omzetten van licht in energie

Tijdens fotosynthese genereert elk foton dat wordt verzameld door de zogenaamde “antennes” -eiwitten energie met een ongelooflijk hoge efficiëntie. De onderzoekers deden de verrassende ontdekking dat de schijnbare wanorde in de rangschikking van deze eiwitten het geheim is van dit vermogen, bekend als ‘near-unity quantum efficiency’.

Fotosynthese stelt planten en sommige bacteriën in staat om lichtenergie om te zetten in chemische energie, met een kwantumefficiëntie die dicht bij de eenheid ligt. Deze efficiëntie wordt bereikt door een netwerk van antenne-eiwitten die fotonen verzamelen en de resulterende energie overbrengen naar de fotosynthetische reactiecentra. Zodra deze energie zijn bestemming bereikt, wordt het omgezet in elektronen om de productie van glucose- en zuurstofmoleculen te voeden.

Hoewel energieoverdracht op de schaal van individuele antenne-eiwitten uitgebreid is bestudeerd, is dit niet het geval op de schaal van interstitiële eiwitten. De energieoverdracht over grote nanometerafstanden is echter afhankelijk van de uitwisseling tussen deze eiwitcomplexen. Het bestuderen van deze uitwisselingen is echter bijzonder uitdagend vanwege het aantal betrokken eiwitten, hun heterogene organisatie en hun overlappende spectrale kenmerken. Het resultaat is een misverstand over hoe fotosynthese kan worden beheerd om kwantumefficiëntie te bereiken die dicht bij één ligt – men denkt dat fotonenergie afneemt over lange afstanden en in reactiecentra die 25-200 nanometer van elkaar verwijderd zijn (vergeleken met antennes).

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een verklaring voor dit fenomeen voorgesteld in een nieuwe studie die in het tijdschrift is gepubliceerd. PNAS. Door voor het eerst de energie te meten die tussen de antenne-eiwitten wordt overgedragen, ontdekten ze dat hun willekeurige opstelling de efficiëntie van de overdracht van deze energie enorm verhoogt.

Gabriella Schlaw-Cohen, hoogleraar scheikunde aan het MIT en hoofdauteur van de nieuwe studie, Uitleggen Dat : ” Om deze antenne te laten werken, is krachtoverbrenging over lange afstanden vereist. Onze belangrijkste bevinding is dat verstoorde regulatie van licht-oogstende eiwitten de efficiëntie van deze energieoverdracht over lange afstanden verbetert. “.

Rommel verbetert de energie-efficiëntie

In hun studie concentreerden Schlau Cohen en zijn team zich op fotosynthetische violette bacteriën, die vaak worden gebruikt als modellen om fotosynthese te bestuderen. Ze leven in zuurstofarme aquatische omgevingen en voeren anoxische fotosynthese uit via een enkel reactiecentrum. Deze eigenschappen maken ze ideaal voor laboratoriumwaarnemingen, om nog maar te zwijgen van hun uitstekende spectroscopische eigenschappen.

In deze bacteriën gaan de verzamelde fotonen door een netwerk van antennes dat bestaat uit eiwitten en pigmenten zoals chlorofyl. Eerder hebben wetenschappers ultrasnelle spectroscopie gebruikt om te volgen hoe energie beweegt bij elk aëroob eiwit. Met ultrasnelle laserpulsen maakt deze technologie het mogelijk om gebeurtenissen te volgen die plaatsvinden op tijdschalen variërend van femtoseconden tot nanoseconden. Het monitoren van deze energieoverdracht op het niveau van eiwitten wordt echter een grotere uitdaging, omdat het nauwkeurige kennis van de positie van elk complex vereist.

Om de energieoverdracht tussen de antenne-eiwitten beter te kunnen volgen, ontwierpen de onderzoekers synthetische membranen op nanometerschaal, met een samenstelling vergelijkbaar met die van bacteriën. Specifiek hebben paarse bacteriën twee soorten antenne-eiwitten, afhankelijk van de omgeving waarin ze leven. Onder normale lichtomstandigheden brengen ze een eiwit tot expressie dat LH2 wordt genoemd (dat golflengten van 800 tot 850 nanometer absorbeert), terwijl een variant genaamd LH3 meer tot uiting komt in omstandigheden met weinig licht. In hun studie verwerkte het onderzoeksteam beide versies van het eiwit in hun nanodiscs.

Door de grootte van de membraan-nanoschijven te regelen, kan de afstand tussen eiwitten nauwkeurig worden bepaald. Door middel van cryogene elektronenmicroscopie-observaties kon het team zien dat de licht-oogstende eiwitten 2,5 tot 3 nanometer uit elkaar lagen – een afstand die ongeveer gelijk is aan die van een normaal bacteriemembraan.

Voor de gebonden eiwitten ontdekten de onderzoekers dat de beweging van energie van de ene naar de andere ongeveer 6 picoseconden duurt. Aan de andere kant neemt deze overdrachtstijd toe tot 15 picoseconden tussen de afstanden. Gebleken is dat naarmate de reistijd korter wordt, de energieoverdracht efficiënter wordt, aangezien er minder energie verloren gaat tijdens de transmissie. ” Wanneer een foton wordt geabsorbeerd, is er nog maar een korte tijd voordat de energie verloren gaat door ongewenste processen zoals niet-stralingsverval. Dus hoe sneller het converteert, hoe effectiever het is. zegt Shlaw Cohen.

Door de eiwitten in een roosterachtige opstelling te rangschikken, ontdekte het MIT-team dat de energieoverdracht veel minder efficiënt was. Als gevolg hiervan zou de willekeurige ordening die wordt waargenomen in bacteriën en de meeste plantencellen het mogelijk maken om de beroemde kwantumefficiëntie dicht bij één te bereiken. Deze bevinding suggereert dat de heterogeniteit die kenmerkend is voor organismen in het algemeen een evolutionair voordeel zou kunnen zijn.

Als volgende stap is het team van plan om de evolutie van dit energieoverdrachtsmechanisme tussen antenne-eiwitten en fotosynthetische reactiecentrum-eiwitten te volgen. Dit fenomeen zal ook bestudeerd worden in andere, meer complexe fotosynthetische organismen, in het bijzonder planten.

bron : PNAS