Иновативни хак фотосинтезе утире пут за откриће у области обновљиве енергије

Истраживачи су „хаковали“ ране фазе[{“ 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.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=п-ц5ввр_У-И
Иако је фотосинтеза надалеко познат и опсежно проучаван процес, истраживачи Универзитета у Кембриџу су открили да још увек крију скривене тајне. Користећи технике ултрабрзе спектроскопије, открили су да се екстракција електрона из молекуларних структура одговорних за фотосинтезу дешава у ранијим фазама него што се раније претпостављало. Ово „поново ожичење“ фотосинтезе могло би довести до бољег управљања вишком енергије и развоја нових, ефикаснијих начина да се искористи њен потенцијал. Кредит: Мари Аиерс

„Нисмо знали толико о фотосинтези колико смо мислили, а нови пут преноса електрона који смо пронашли је прилично изненађујући“, рекао је др.

Док је фотосинтеза природан процес, научници су такође проучавали како би се она могла користити за решавање климатске кризе, симулацијом фотосинтетских процеса за генерисање чистих горива из сунчеве светлости и воде, на пример.

Џанг и њене колеге су првобитно покушавале да схвате зашто би молекул у облику прстена назван кинон могао да „украде“ електроне из фотосинтезе. Алкенони су уобичајени у природи и могу лако да прихвате и одустану од електрона. Истраживачи су користили технику названу ултрабрза пролазна апсорпциона спектроскопија да би проучили како се кинони понашају у фотосинтетичким цијанобактеријама.

Међународни тим научника проучавао је процес фотосинтезе у живим ћелијама на ултра брзој временској скали од милионитог дела секунде. Упркос опсежним истраживањима, фотосинтеза још увек има неоткривене тајне. Користећи технике ултрабрзе спектроскопије, тим је открио да хемикалије извлаче електроне из молекуларних структура укључених у фотосинтезу у много ранијим фазама него што се раније мислило. Ово „поновно ожичење“ може побољшати процес управљања вишком енергије и створити нове, ефикасне начине за искориштавање његове моћи. Кредит: Томми Пеаке

„Нико није правилно проучавао како овај молекул реагује са механизмима фотосинтезе у тако раној фази фотосинтезе: мислили смо да користимо нову технику да потврдимо оно што смо већ знали“, рекао је Зханг. „Уместо тога, пронашли смо потпуно нови пут и мало смо отворили црну кутију фотосинтезе.“

Користећи ултрабрзу спектроскопију за праћење електрона, истраживачи су открили да је протеинска скела на којој се дешавају почетне хемијске реакције фотосинтезе „пропусна“, омогућавајући електронима да побегну. Ово цурење може помоћи биљкама да се заштите од оштећења од јаког или брзо променљивог светла.

„Физика фотосинтезе је невероватно импресивна“, рекао је први аутор Томи Баикие из Лабораторије Кевендиш у Кембриџу. „Обично радимо са материјалима вишег реда, али посматрање транспорта наелектрисања кроз ћелије отвара дивне могућности за нова открића о томе како природа функционише.“

рекла је први аутор др Лаура Веј, која је радила на Одељењу за биохемију, сада са седиштем на Универзитету у Туркуу, Финска. „Чињеница да нисмо знали да овај пут постоји је узбудљива, јер можемо да га искористимо да извучемо више енергије из обновљивих извора.“

Могућност извлачења терета у раној фази процеса фотосинтезе, кажу истраживачи, могла би учинити процес ефикаснијим када се манипулише фотосинтетичким путевима за генерисање чистог горива од сунца. Поред тога, способност регулације фотосинтезе може значити да би усеви могли боље да издрже интензивну сунчеву светлост.

„Многи научници су покушали да извуку електроне из раније тачке фотосинтезе, али су рекли да то није могуће јер је енергија закопана у протеинској скели“, рекао је Зханг. „Чињеница да смо могли да га украдемо у ранијој операцији је невероватна. У почетку смо мислили да смо погрешили: требало је неко време да се уверимо да смо то урадили.“

Кључ за откриће била је употреба ултрабрзе спектроскопије, која је омогућила истраживачима да прате ток енергије у живим фотосинтетичким ћелијама на фемтосекундној скали – хиљадитим од трилионтиног дела секунде.

„Коришћење ових ултра брзих метода омогућило нам је да боље разумемо ране догађаје у фотосинтези, од којих зависи живот на Земљи“, рекао је коаутор професор Кристофер Хау, са Одељења за биохемију.

Референца: „Пхотосинтхесис Ревиред он а Пицосецонд Тиме Сцале“ Томми К. Паики, Лаура ТИ, Јосхуа М. Лавренце, Хеигхтс Медипали, Ервин Реиснер, Марк М. Новацзик, Рицхард Х. Фриенд, Цхристопхер Ј. Хове, Цхристопхе Сцхнеидерман, Аксхаи Рао и Јенни Зханг, 22. март 2023, доступно овде. природа.
ДОИ: 10.1038/с41586-023-05763-9

Истраживање је делимично подржано од стране Савета за истраживање инжењерских и физичких наука (ЕПСРЦ), Савета за истраживање биотехнологије и биолошких наука (ББСРЦ) и део је британског истраживања и иновација (УКРИ), као и Винтоновог програма за физику одрживости на Универзитет. Кембриџ, Комонвелт Кембриџа, Европски и међународни фонд и Програм за истраживање и иновације ЕУ Хоризонт 2020. Џени Зханг је стипендиста Дејвида Филипса на Одсеку за хемију и члан Корпус Кристи колеџа у Кембриџу. Томи Баикие је сарадник на НаноФутурес у Лабораторији Цавендисх. Лаура Ваи је постдокторски сарадник у Ново Нордиск фондацији, Универзитет у Туркуу.