Wetenschappers maken kennis met de licht-oogstende geheimen van fotosynthetische algen

December 23, 2016 Sinds miljoenen jaren geleden hebben fotosynthetische algen hun techniek om licht op te vangen verfijnd.

Het resultaat is dat hun lichtoogstsystemen (eiwitten die licht absorberen absorberen en omzetten in energie) zo krachtig dat wetenschappers ze om ze te begrijpen en na te bootsen voor gebruik in hernieuwbare energietoepassingen.

Nu hebben onderzoekers van Princeton University een mechanisme onthuld dat de lichtoogst van de cryptofyt alg Chroomonas mesostigmatica. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Chem, bieden een waardevol inzicht voor het ontwerp van kunstmatige lichtoogstende systemen zoals moleculaire sensoren en zonne-energiecollectoren.

Cryptofyten leven vaak onder organismen die de meeste zonnestralen absorberen. zonnestralen absorberen. Daardoor zijn ze geëvolueerd om te gedijen op die golflengtes van het licht waarnaar de organismen boven hen niet op zoek zijn - voornamelijk de geelgroene kleuren. voornamelijk de geelgroene kleuren.

Ze verzamelen deze geelgroene licht energie en sturen het door een netwerk van moleculen die het omzetten in rood licht. rood licht, iets wat chlorofylmoleculen nodig hebben om belangrijke fotosynthetische chemie uit te voeren.

De wetenschappers zijn altijd gefascineerd en geïntrigeerd geweest door de snelheid van de energieoverdracht. Hun voorspellingen waren altijd ongeveer drie keer langzamer dan de waargenomen snelheden.

"De tijdschalen waarop de energie door het eiwit wordt verplaatst - we konden nooit begrijpen waarom het proces zo snel gaat," zegt corresponderend auteur Gregory Scholes, William S Tod hoogleraar scheikunde aan Princeton University.

In 2010 ontdekte zijn team dat deze hoge snelheden het gevolg waren van een fenomeen dat kwantumcoherentie wordt genoemd. elektronische excitatie delen en energie overdragen volgens kwantummechanische mechanische waarschijnlijkheidswetten in plaats van de klassieke natuurkunde. Ze konden ze echter niet precies verklaren hoe coherentie werkte om de snelheden te versnellen - tot nu. tot nu.

Met behulp van een geavanceerde methode die ultrasnelle lasers mogelijk maakt, maten de maten de onderzoekers de lichtabsorptie van de moleculen en volgden ze de energiestroom door het systeem.

Normaal zouden de absorptiesignalen overlappen, waardoor het onmogelijk is om ze toe te wijzen aan specifieke moleculen binnen het eiwitcomplex. het eiwitcomplex; het team was echter in staat om de signalen te verscherpen door de eiwitten af te koelen tot zeer lage temperaturen, aldus hoofdauteur Jacob Dean, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Scholes.

De onderzoekers observeerden het systeem terwijl energie werd overgedragen van molecuul naar molecuul. molecuul naar molecuul, van hoogenergetisch groen licht naar lager energetisch rood licht, waarbij overtollige energie verloren ging als trillingsenergie. Hieruit bleek dat een specifiek spectraal patroon dat een "rokend pistool" was voor trillingsresonantie (of trillingsovereenkomst) tussen de donor- en acceptor moleculen, zei Dean.

Dankzij de afstemming van de trillingen kon energie veel sneller worden overgedragen dan anders het geval zou zijn door de verdeling van de energie over de moleculen. sneller dan anders het geval zou zijn door de excitatie te verdelen tussen de moleculen. Het effect bood een mechanisme voor de eerder kwantumcoherentie.

Met dit in gedachten berekenden de onderzoekers hun voorspelling opnieuw en hun voorspelling opnieuw en kwamen uit op een snelheid die ongeveer drie keer sneller was.

Het laboratorium van Scholes is van plan om verwante eiwitten te bestuderen om te onderzoeken om te onderzoeken of dit mechanisme ook in andere fotosynthetische organismen voorkomt.

De wetenschappers hopen uiteindelijk lichtoogstsystemen te ontwikkelen met perfecte energieoverdracht, geïnspireerd op de robuuste lichtoogstende eiwitten.

"Dit mechanisme is nog een krachtige verklaring van de optimalisatie van deze eiwitten," zei Scholes.