Egy úttörő felfedezés során a kutatók sikeresen „feltörték” a fotoszintézis kezdeti fázisait – azt a természetes folyamatot, amely a földi élővilág többségének működéséhez szükséges. Azáltal, hogy az ebből a folyamatból történő energia-kinyerés új módszerét felfedezték, az eredmények a jövőben utat nyithatnak a tiszta üzemanyagok és a megújuló energiaforrások előállítása előtt.
Nem tudtunk annyit a fotoszintézisről, mint gondoltuk, így az új elektronátviteli útvonal, amit felfedeztünk, egészen meglepő
– mondta a kutatást irányító Dr. Jenny Zhang a cambridge-i Yusuf Hamied Kémiai Tanszékről.
A Cambridge-i Egyetem vezetésével egy fizikusokból, kémikusokból és biológusokból álló nemzetközi csapat képes volt a fotoszintézist – azt a folyamatot, amelynek során a növények, algák és egyes baktériumok a napfényt energiává alakítják – élő sejtekben ultrarövid időskálán: a másodperc milliomod része alatt tanulmányozni.
Bár ez az egyik legismertebb és legjobban tanulmányozott folyamat a Földön, a kutatók úgy vélik, hogy a fotoszintézis még mindig tartogat titkokat. Az energiamozgást vizsgáló ultragyors spektroszkópiai módszerek segítségével a kutatók megállapították, hogy azok a vegyi anyagok, amelyek képesek elektronokat kivonni a fotoszintézisért felelős molekulaszerkezetekből, ezt már a kezdeti szakaszokban megteszik, nem pedig jóval később, ahogyan azt korábban gondolták. Az így „átalakított” fotoszintézis hatékonyabbá teheti a többletenergia kezelését, és új, hatékonyabb lehetőségeket teremthet a fotoszintézis energiafelhasználására. Az eredményekről a Nature című folyóirat március 22-i számában számoltak be.
Bár a fotoszintézis természetes folyamat, a tudósok azt is tanulmányozzák, hogyan lehetne ezt a jelenséget az éghajlati válság kezelésére felhasználni, a fotoszintézis folyamatainak utánzásával, például úgy, hogy a napfényből és a vízből tiszta üzemanyagot állítanak elő.
Zhang és kollégái kezdetben azt próbálták megérteni, hogy miért képes a kinon nevű gyűrű alakú molekula elektronokat „elcsenni” a fotoszintézis során. A kinonok gyakoriak a természetben, és könnyen tudnak elektronokat felvenni és leadni. Ezért a kutatók egy ultrarövid tranziens abszorpciós spektroszkópiának nevezett eljárást alkalmaztak annak tanulmányozására, hogyan viselkednek a kinonok a fotoszintetizáló cianobaktériumokban.
Azt még senki sem tanulmányozta igazán, hogy ez a molekula miként lép kölcsönhatásba a fotoszintetikus rendszerekkel a fotoszintézis ilyen korai szakaszában: azt hittük, hogy csak egy új módszert használunk arra, hogy megerősítsük azt, amit már addig is tudtunk. Ehelyett egy teljesen új útvonalat találtunk, ezáltal egy kicsit még jobban feltártuk a fotoszintézis fekete dobozát
– magyarázta Zhang.
A tudósok ultrarövid idejű spektroszkópiát alkalmaztak az elektronok megfigyelésére, és megállapították, hogy a fotoszintézis kezdeti kémiai reakcióit végző fehérje „lyukas”, így az elektronok el tudnak szökni. Ez a szivárgás segíthet a növényeknek megvédeni magukat az erős vagy gyorsan változó fény okozta károsodástól.
– A fotoszintézis folyamatainak vizsgálata igencsak lenyűgöző – mondta Tomi Baikie, a Cambridge-i Cavendish Laboratórium munkatársa. – Általában szigorúan szabályozott anyagokon dolgozunk, de a sejteken belüli töltésátvitel megfigyelése rendkívüli lehetőségeket nyit meg a természet működésének új felfedezései előtt.
– Mivel a fotoszintézisből származó elektronok szétszóródnak a rendszer egészében, ez azt jelenti, hogy hozzáférhetővé válnak – tette hozzá Dr. Laura Wey, a kutatás egyik vezető szerzője, aki a Biokémiai Tanszéken végezte a munkát, és jelenleg a finnországi Turkui Egyetemen dolgozik. – Az a tény, hogy eddig nem tudtunk ennek a folyamatnak a létezéséről, izgalmas, hiszen így még több energiát nyerhetünk belőle a megújuló energiaforrások számára.
A kutatók szerint az, hogy a fotoszintézis folyamatának egy korábbi szakaszában már képesek lennénk kivonni a töltést, hatékonyabbá tehetné a folyamatot a fotoszintetikus folyamatok módosításakor, amelynek segítségével tiszta üzemanyagokat lehetne előállítani a Nap energiájából. Ezen túlmenően a fotoszintézis szabályozásának lehetősége azt is jelenthetné, hogy a növényeket alkalmasabbá tehetnénk arra, hogy tolerálják az intenzív napfényt.
Sok tudós próbált már a fotoszintézis egy korábbi szakaszában elektronokat kivonni, de akkor még úgy vélték, hogy ez nem lehetséges, mert az energia túlságosan mélyen beépül a fehérjeszerkezetbe. Az a tény, hogy mi most már képesek vagyunk egy korábbi szakaszban kinyerni őket, észbontó. Először azt hittük, hogy hibát követtünk el: időbe telt, mire meggyőződtünk róla, hogy tényleg sikerült
– mesélte Zhang.
A felfedezés kulcsa az ultragyors spektroszkópiai módszer alkalmazása volt, amely lehetővé tette a kutatók számára, hogy femtoszekundumos – a másodperc ezredrészének trilliomod részének megfelelő – skálán kövessék az energiaáramlást az élő fotoszintetikus sejtekben.
– Ezeknek az ultragyors módszereknek a használata lehetővé tette számunkra, hogy jobban megértsük a fotoszintézis kezdeti mozzanatait, amelytől a Föld élővilága is nagyban függ – hangsúlyozta Christopher Howe professzor, a biokémiai tanszék munkatársa.
Forrás: https://scitechdaily.com/ingenious-photosynthesis-hack-paves-way-for-renewable-energy-breakthroughs/
