Forskere får fart på fotosyntetiske algers hemmeligheder, der høster lys

December 23, 2016 Siden millioner af år siden har fotosyntetiske alger forfinet deres teknik til at fange lys.

Som et resultat, deres lys-høstsystemer (proteiner, der absorberer lys at blive omdannet til energi) er så kraftfulde, at videnskabsmænd har søgt at forstå og efterligne dem til brug i vedvarende energianvendelser.

Nu har forskere ved Princeton University afsløret en mekanisme, der forbedrer lyshøsthastigheden for kryptofyt-algen Chroomonas mesostigmatica. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Chem for nylig, give værdifuld indsigt til design af kunstig lys-høst systemer som molekylære sensorer og solfangere.

Kryptofytalger lever ofte under organismer, der absorberer det meste af solens stråler. Som et resultat har de udviklet sig til at trives med dem bølgelængder af lys, der ikke er efterspurgt af organismerne over dem – primært de gulgrønne farver.

De samler dette gulgrønne lys energi og føre den gennem et netværk af molekyler, der omdanner den til rødt lys, noget som klorofylmolekyler skal udføre vigtig fotosyntetisk kemi.

Forskerne har altid været fascineret og fascineret af hastigheden af energioverførslen. Deres forudsigelser var altid omkring tre gange langsommere end de observerede hastigheder.

"De tidsskalaer, som energien er bevægede sig gennem proteinet – vi kunne aldrig forstå hvorfor processen så hurtigt," sagde den tilsvarende forfatter Gregory Scholes, William S Tod Professor i kemi ved Princeton University.

I 2010 opdagede hans team, at disse hurtige rater skyldtes en fænomen kaldet kvantekohærens, hvor molekyler delte elektronisk excitation og overførsel af energi i henhold til kvante mekaniske sandsynlighedslove i stedet for klassisk fysik. Men de kunne ikke forklare præcis, hvordan sammenhængen virkede for at fremskynde taksterne – indtil nu.

Ved at bruge en sofistikeret metode aktiveret af ultrahurtige lasere, forskere målte molekylernes lysabsorption og sporede energistrømmen gennem systemet.

Normalt ville absorptionssignalerne overlapper, hvilket gør dem umulige at tildele til specifikke molekyler indeni proteinkomplekset; holdet var dog i stand til at skærpe signalerne ved at køle proteinerne ned til meget lave temperaturer, sagde hovedforfatter Jacob Dean, postdoc-forsker i Scholes-laboratoriet.

Forskerne observerede systemet som energi blev overført fra molekyle til molekyle, fra grønt lys med høj energi til rødt med lavere energi lys, hvor overskydende energi går tabt som vibrationsenergi. Dette viste at et specifikt spektralmønster, der var en "rygende pistol" til vibrationsresonans (eller vibrationstilpasning) mellem donor og acceptormolekyler, sagde Dean.

Takket være vibrationstilpasningen var energi i stand til at overføre meget hurtigere end det ellers ville være ved at fordele excitationen mellem molekyler. Effekten gav en mekanisme for det tidligere rapporteret kvantekohærens.

Med dette i tankerne har forskerne genberegnet deres forudsigelse og nåede frem til en hastighed, der var ca tre gange hurtigere.

Scholes-laboratoriet har til hensigt at undersøge relaterede proteiner for at undersøge dem om denne mekanisme findes i andre fotosyntetiske organismer.

Til sidst håber forskerne at udvikle lys-høstsystemer med perfekt energioverførsel inspireret af den robuste lysindsamling proteiner.

"Denne mekanisme er endnu et kraftfuldt udsagn om optimaliteten af ​​disse proteiner," sagde Scholes.