מדענים מתעדכנים על סודות קצירת האור של אצות פוטוסינתטיות

December 23, 2016 מאז לפני מיליוני שנים, אצות פוטוסינתטיות משכללות את הטכניקה שלהן ללכידת אור.

כתוצאה מכך, מערכות קציר האור שלהם (חלבונים שסופגים אור להפוך לאנרגיה) כל כך חזקות שמדענים חיפשו להבין ולחקות אותם לשימוש ביישומי אנרגיה מתחדשת.

עכשיו, חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון חשפו מנגנון ש משפר את שיעורי קצירת האור של אצת הקריפטופיטים Chroomonas mesostigmatica. הממצאים שלהם, שפורסמו בכתב העת Chem לאחרונה, לספק תובנה חשובה לתכנון של קציר אור מלאכותי מערכות כמו חיישנים מולקולריים וקולטי אנרגיה סולארית.

אצות קריפטופיטים חיות לעתים קרובות מתחת לאורגניזמים שסופגים את רוב קרני השמש. כתוצאה מכך, הם התפתחו כדי לשגשג על אלה אורכי גל של אור שאינם מבוקשים על ידי האורגניזמים שמעליהם - בעיקר הצבעים הצהוב-ירוק.

הם אוספים את האור הצהוב-ירוק הזה אנרגיה ומעבירים אותה דרך רשת של מולקולות שהופכת אותה ל אור אדום, משהו שמולקולות הכלורופיל צריכות לבצע כימיה פוטוסינתטית חשובה.

המדענים תמיד היו מוקסמים ומסקרנים מהמהירות של העברת האנרגיה. התחזיות שלהם היו תמיד בערך שלוש פעמים איטי יותר מהשיעורים שנצפו.

"לוחות הזמנים שהאנרגיה היא עבר דרך החלבון - לעולם לא יכולנו להבין מדוע התהליך כל כך מהר," אמר הסופר המקביל גרגורי סקולס, ה-William S Tod פרופסור לכימיה באוניברסיטת פרינסטון.

בשנת 2010, הצוות שלו גילה ששיעורים מהירים אלה נבעו מ- תופעה הנקראת קוהרנטיות קוונטית, שבה חלקו מולקולות עירור אלקטרוני והעברת אנרגיה בהתאם לקוונטים חוקי הסתברות מכניים במקום פיזיקה קלאסית. עם זאת, הם לא יכול היה להסביר בדיוק איך הקוהרנטיות פעלה כדי להאיץ את התעריפים - עד עכשיו.

באמצעות שיטה מתוחכמת המתאפשרת באמצעות לייזרים מהירים במיוחד, ה חוקרים מדדו את קליטת האור של המולקולות ועקבו אחר זרימת אנרגיה דרך המערכת.

בדרך כלל אותות הקליטה היו חופפים, מה שהופך אותם לבלתי אפשריים להקצאה למולקולות ספציפיות בתוכם קומפלקס החלבון; עם זאת, הצוות הצליח לחדד את האותות על ידי קירור החלבונים לטמפרטורות נמוכות מאוד, אמר המחבר הראשי יעקב דין, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדת סקולס.

החוקרים צפו במערכת כשהאנרגיה הועברה ממנה מולקולה למולקולה, מאור ירוק בעל אנרגיה גבוהה לאדום באנרגיה נמוכה יותר אור, כאשר עודף אנרגיה הולך לאיבוד כאנרגיה רטט. זה הראה שדפוס ספקטרלי מסוים שימש עבורו "אקדח מעשן". תהודה רטט (או התאמה רטט) בין התורם לבין מולקולות מקבלות, אמר דין.

בזכות התאמת הרטט, האנרגיה הצליחה להעביר הרבה מהיר יותר ממה שהוא יהיה אחרת על ידי הפצת העירור בין מולקולות. האפקט סיפק מנגנון לקודם דיווח על קוהרנטיות קוונטית.

עם זאת בחשבון, החוקרים חישבו מחדש את התחזית שלהם והגיעו לקצב שהיה בערך פי שלושה מהר יותר.

מעבדת Scholes מתכוונת לחקור חלבונים קשורים כדי לחקור האם מנגנון זה נמצא באורגניזמים פוטוסינתטיים אחר .

בסופו של דבר, המדענים מקווים לפתח מערכות לקציר אור עם העברת אנרגיה מושלמת בהשראת קציר האור החזק חלבונים.

"מנגנון זה הוא הצהרה חזקה אחת יותר של אופטימליות של חלבונים אלה," אמר סקולס.