Znanstvenici ubrzano otkrivaju tajne fotosintetskih algi koje prikupljaju svjetlost

December 23, 2016 Još prije milijune godina, fotosintetičke alge usavršavaju svoju tehniku ​​hvatanja svjetlosti.

Kao rezultat toga, njihovi sustavi za sakupljanje svjetla (proteini koji apsorbiraju svjetlost pretvoriti u energiju) toliko su moćni da su znanstvenici tražili razumjeti i oponašati ih za korištenje u primjenama obnovljive energije.

Sada su istraživači sa Sveučilišta Princeton otkrili mehanizam koji povećava stopu sakupljanja svjetlosti kriptofitne alge Chroomonas mesostigmatica. Njihova otkrića, nedavno objavljena u časopisu Chem, pružaju vrijedan uvid u dizajn prikupljanja umjetne svjetlosti sustavi poput molekularnih senzora i kolektora sunčeve energije.

Kriptofitne alge često žive ispod organizama koji apsorbiraju većinu sunčeve zrake. Kao rezultat toga, razvili su se kako bi napredovali na njima valne duljine svjetlosti koje ne traže organizmi iznad njih – uglavnom žuto-zelene boje.

Oni skupljaju ovo žuto-zeleno svjetlo energiju i propustiti je kroz mrežu molekula koje je pretvaraju u crveno svjetlo, nešto što molekule klorofila trebaju obavljati važna fotosintetska kemija.

Znanstvenike je oduvijek fascinirala i intrigirala brzina prijenosa energije. Njihova su predviđanja uvijek bila oko tri puta sporije od promatranih stopa.

"Vremenska skala koja je energija kretao kroz protein – nikada nismo mogli razumjeti zašto taj proces tako brzo," rekao je dopisni autor Gregory Scholes, William S. Tod Profesor kemije na Sveučilištu Princeton.

2010. godine njegov je tim otkrio da su te velike stope posljedica a fenomen nazvan kvantna koherencija, u kojem su molekule zajedničke elektronska pobuda i prijenos energije prema kvantu mehanički zakoni vjerojatnosti umjesto klasične fizike. Međutim, oni nije mogao točno objasniti kako koherentnost djeluje na ubrzavanje stopa – do sada.

Korištenjem sofisticirane metode koju omogućuju ultrabrzi laseri, the istraživači su izmjerili apsorpciju svjetlosti molekula i pratili protok energije kroz sustav.

Uobičajeno bi signali apsorpcije preklapaju, što ih čini nemogućim pripisati određenim molekulama unutar njih proteinski kompleks; međutim, tim je uspio izoštriti signale hlađenjem proteina do vrlo niskih temperatura, rekao je glavni autor Jacob Dean, postdoktorand u laboratoriju Scholes.

Istraživači su promatrali sustav iz kojeg se prenosi energija molekula do molekule, od visokoenergetske zelene svjetlosti do nižeenergetske crvene svjetlosti, pri čemu se višak energije gubi kao energija vibracija. Ovo je pokazalo da je specifičan spektralni uzorak koji je bio "puška" za vibracijska rezonancija (ili vibracijsko podudaranje) između donora i akceptorskih molekula, rekao je Dean.

Zahvaljujući vibracijskom usklađivanju, energija je uspjela prenijeti mnogo brže nego što bi inače bilo raspodjelom pobude između molekula. Učinak je osigurao mehanizam za prethodno izvijestio o kvantnoj koherenciji.

Imajući ovo na umu, istraživači ponovno izračunali svoje predviđanje i došli do stope koja je bila oko tri puta brže.

Scholesov laboratorij namjerava proučavati srodne proteine ​​koje treba istražiti nalazi li se ovaj mehanizam u drugim fotosintetskim organizmima.

Naposljetku, znanstvenici se nadaju da će razviti sustave za sakupljanje svjetla sa savršenim prijenosom energije nadahnutim robusnim skupljanjem svjetla bjelančevine.

"Ovaj mehanizam je još jedna snažnija izjava optimalnost ovih proteina," rekao je Scholes.