Οι επιστήμονες αρχίζουν να μαθαίνουν τα μυστικά των φωτοσυνθετικών φυκών που συγκεντρώνουν το φως

December 23, 2016 Από εκατομμύρια χρόνια πριν, τα φωτοσυνθετικά φύκια τελειοποιούν την τεχνική τους για τη σύλληψη φωτός.

Σαν αποτέλεσμα, τα συστήματα συλλογής φωτός τους (πρωτεΐνες που απορροφούν το φως να μετατραπούν σε ενέργεια) είναι τόσο ισχυρά που οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει να τα κατανοήσουν και να τα μιμηθούν για χρήση σε εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον αποκάλυψαν έναν μηχανισμό που ενισχύει τους ρυθμούς συγκομιδής φωτός του κρυπτόφυτου φυκιού Chroomonas μεσοστιγματικά. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Chem, παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό της συλλογής τεχνητού φωτός συστήματα όπως μοριακοί αισθητήρες και συλλέκτες ηλιακής ενέργειας.

Τα κρυπτόφυτα άλγη συχνά ζουν κάτω από οργανισμούς που απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος ακτίνες του ήλιου. Ως αποτέλεσμα, έχουν εξελιχθεί για να ευδοκιμήσουν σε αυτά μήκη κύματος φωτός που δεν αναζητούνται από τους οργανισμούς από πάνω τους – κυρίως τα κιτρινοπράσινα χρώματα.

Συλλέγουν αυτό το κιτρινοπράσινο φως ενέργειας και να την περάσουν μέσα από ένα δίκτυο μορίων που τη μετατρέπει σε κόκκινο φως, κάτι που πρέπει να εκτελέσουν τα μόρια της χλωροφύλλης σημαντική φωτοσυνθετική χημεία.

Οι επιστήμονες ανέκαθεν γοητεύονταν και γοητεύονταν από την ταχύτητα της μεταφοράς ενέργειας. Οι προβλέψεις τους ήταν πάντα περίπου τρεις φορές πιο αργά από τα παρατηρούμενα ποσοστά.

"Τα χρονοδιαγράμματα που είναι η ενέργεια μετακινήθηκε μέσω της πρωτεΐνης – δεν μπορέσαμε ποτέ να καταλάβουμε γιατί αυτή η διαδικασία τόσο γρήγορα,», είπε ο αντίστοιχος συγγραφέας Gregory Scholes, ο William S Tod Καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον.

Το 2010, η ομάδα του ανακάλυψε ότι αυτά τα γρήγορα ποσοστά οφείλονταν σε α φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική συνοχή, στο οποίο μοιράζονται τα μόρια ηλεκτρονική διέγερση και μεταφορά ενέργειας σύμφωνα με την κβαντική μηχανικοί νόμοι πιθανοτήτων αντί της κλασικής φυσικής. Ωστόσο, αυτοί δεν μπορούσα να εξηγήσω ακριβώς πώς λειτούργησε η συνοχή για να επιταχύνει τα ποσοστά – μέχρι τώρα.

Χρησιμοποιώντας μια εξελιγμένη μέθοδο που ενεργοποιείται από εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ, το οι ερευνητές μέτρησαν την απορρόφηση φωτός των μορίων και παρακολούθησαν την ροή ενέργειας μέσω του συστήματος.

Κανονικά τα σήματα απορρόφησης θα ήταν αλληλεπικαλύπτονται, καθιστώντας αδύνατο να αποδοθούν σε συγκεκριμένα μόρια μέσα το πρωτεϊνικό σύμπλεγμα? Ωστόσο, η ομάδα μπόρεσε να οξύνει τα σήματα ψύχοντας τις πρωτεΐνες σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Jacob Dean, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο Scholes.

Οι ερευνητές παρατήρησαν το σύστημα καθώς μεταφερόταν ενέργεια από μόριο σε μόριο, από πράσινο φως υψηλής ενέργειας έως κόκκινο χαμηλότερης ενέργειας φως, με την περίσσεια ενέργειας να χάνεται ως δονητική ενέργεια. Αυτό έδειξε ότι ένα συγκεκριμένο φασματικό μοτίβο που ήταν ένα «όπλο καπνίσματος». δονητικό συντονισμό (ή δονητικό ταίριασμα) μεταξύ του δότη και μόρια δέκτη, είπε ο Ντιν.

Χάρη στη δονητική αντιστοίχιση, η ενέργεια μπόρεσε να μεταφέρει πολλά γρηγορότερα από ό,τι διαφορετικά θα ήταν με τη διανομή της διέγερσης μεταξύ των μορίων. Το αποτέλεσμα παρείχε έναν μηχανισμό για το προηγούμενο αναφέρθηκε κβαντική συνοχή.

Έχοντας αυτό κατά νου, οι ερευνητές υπολόγισαν εκ νέου την πρόβλεψή τους και έφτασαν σε ρυθμό που ήταν περίπου τρεις φορές πιο γρήγορα.

Το εργαστήριο Scholes σκοπεύει να μελετήσει σχετικές πρωτεΐνες για διερεύνηση εάν αυτός ο μηχανισμός βρίσκεται σε άλλους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς.

Τελικά, οι επιστήμονες ελπίζουν να αναπτύξουν συστήματα συγκομιδής φωτός με τέλεια μεταφορά ενέργειας εμπνευσμένη από την ισχυρή συγκομιδή φωτός πρωτεΐνες.

"Αυτός ο μηχανισμός είναι μια ακόμη ισχυρή δήλωση του τη βέλτιστη χρήση αυτών των πρωτεϊνών», είπε ο Scholes.