Para ilmuwan mengetahui rahasia pemanenan cahaya dari alga fotosintetik

December 23, 2016 Sejak jutaan tahun yang lalu, alga fotosintetik telah menyempurnakan tekniknya dalam menangkap cahaya.

Akibatnya, sistem pemanenan cahaya (protein yang menyerap cahaya untuk diubah menjadi energi) begitu kuat sehingga para ilmuwan mencarinya untuk memahami dan menirunya untuk digunakan dalam aplikasi energi terbarukan.

Sekarang, para peneliti di Universitas Princeton telah mengungkap mekanisme tersebut meningkatkan tingkat pemanenan cahaya alga kriptofit Chroomonas mesostigmatika. Temuan mereka, yang diterbitkan dalam jurnal Chem baru-baru ini, memberikan wawasan berharga untuk desain pemanenan cahaya buatan sistem seperti sensor molekuler dan pengumpul energi surya.

Alga kriptofit sering hidup di bawah organisme yang menyerap sebagian besar sinar matahari. Hasilnya, mereka berevolusi untuk berhasil dalam hal tersebut panjang gelombang cahaya yang tidak dicari oleh organisme di atasnya – terutama warna kuning-hijau.

Mereka mengumpulkan cahaya kuning-hijau ini energi dan meneruskannya melalui jaringan molekul yang mengubahnya menjadi lampu merah, sesuatu yang harus dilakukan oleh molekul klorofil kimia fotosintesis yang penting.

Para ilmuwan selalu terpesona dan tertarik dengan kecepatannya dari transfer energi. Prediksi mereka selalu sekitar tiga kali lipat lebih lambat dari tingkat yang diamati.

"Skala waktu energinya berpindah melalui protein – kita tidak pernah mengerti mengapa proses tersebut terjadi sangat cepat," kata penulis korespondensi Gregory Scholes, William S Tod Profesor Kimia di Universitas Princeton.

Pada tahun 2010, timnya menemukan bahwa laju kenaikan ini disebabkan oleh a fenomena yang disebut koherensi kuantum, di mana molekul-molekul saling berbagi eksitasi elektronik dan transfer energi menurut kuantum hukum probabilitas mekanis, bukan fisika klasik. Namun, mereka tidak dapat menjelaskan dengan tepat bagaimana koherensi bekerja untuk mempercepat laju – sampai sekarang.

Dengan menggunakan metode canggih yang dimungkinkan oleh laser ultracepat, peneliti mengukur penyerapan cahaya molekul dan melacaknya aliran energi melalui sistem.

Biasanya sinyal penyerapan akan demikian tumpang tindih, sehingga mustahil untuk ditetapkan pada molekul tertentu di dalamnya kompleks protein; Namun, tim mampu mempertajam sinyalnya dengan mendinginkan protein hingga suhu yang sangat rendah, kata penulis utama Jacob Dean, peneliti postdoctoral di lab Scholes.

Para peneliti mengamati sistem ketika energi ditransfer molekul ke molekul, dari lampu hijau berenergi tinggi ke lampu merah berenergi rendah ringan, dengan kelebihan energi yang hilang sebagai energi getaran. Ini menunjukkan bahwa pola spektral tertentu yang merupakan "senjata api" untuk itu resonansi getaran (atau pencocokan getaran) antara donor dan molekul akseptor, kata Dean.

Berkat pencocokan getaran, energi dapat ditransfer banyak lebih cepat dibandingkan dengan mendistribusikan eksitasi antar molekul. Efeknya memberikan mekanisme untuk sebelumnya koherensi kuantum yang dilaporkan.

Dengan pemikiran ini, para peneliti menghitung ulang prediksi mereka dan sampai pada tingkat yang kira-kira tiga kali lebih cepat.

Laboratorium Scholes bermaksud mempelajari protein terkait untuk diselidiki apakah mekanisme ini ditemukan pada organisme fotosintesis lainnya.

Pada akhirnya, para ilmuwan berharap dapat mengembangkan sistem pemanenan cahaya dengan transfer energi sempurna yang terinspirasi oleh pemanenan cahaya yang kuat protein.

"Mekanisme ini merupakan salah satu pernyataan yang lebih kuat dari optimalitas protein ini," kata Scholes.