Forskere får fart på lys-høstingshemmelighetene til fotosyntetiske alger

December 23, 2016 Siden millioner av år siden har fotosyntetiske alger forfinet teknikken sin for å fange lys.

Som et resultat, deres lys-høstesystemer (proteiner som absorberer lys å bli omgjort til energi) er så kraftige at forskere har søkt å forstå og etterligne dem til bruk i fornybar energiapplikasjoner.

Nå har forskere ved Princeton University avslørt en mekanisme som øker lysinnhøstingshastigheten til kryptofyttalgen Chroomonas mesostigmatica. Funnene deres, publisert i tidsskriftet Chem nylig, gi verdifull innsikt for utformingen av kunstig lyshøsting systemer som molekylære sensorer og solenergisamlere.

Kryptofytt-alger lever ofte under organismer som absorberer det meste solens stråler. Som et resultat har de utviklet seg til å trives med dem bølgelengder av lys som ikke er ettertraktet av organismene over dem – hovedsakelig de gulgrønne fargene.

De samler dette gulgrønne lyset energi og føre den gjennom et nettverk av molekyler som omdanner den til rødt lys, noe som klorofyllmolekyler må utføre viktig fotosyntetisk kjemi.

Forskerne har alltid vært fascinert og fascinert av hastigheten av energioverføringen. Deres spådommer var alltid omtrent tre ganger langsommere enn de observerte ratene.

"Tidsskalaene som energien er beveget seg gjennom proteinet – vi kunne aldri forstå hvorfor prosessen så fort,» sa den korresponderende forfatteren Gregory Scholes, William S Tod Professor i kjemi ved Princeton University.

I 2010 oppdaget teamet hans at disse raske ratene skyldtes en fenomen kalt kvantekoherens, der molekyler delte elektronisk eksitasjon og overføring av energi i henhold til kvante mekaniske sannsynlighetslover i stedet for klassisk fysikk. Imidlertid, de kunne ikke forklare nøyaktig hvordan sammenheng fungerte for å øke hastigheten – inntil nå.

Ved bruk av en sofistikert metode aktivert av ultraraske lasere forskere målte molekylenes lysabsorpsjon og sporet energistrømmen gjennom systemet.

Normalt ville absorpsjonssignalene overlapper, noe som gjør dem umulige å tilordne til spesifikke molekyler innenfor proteinkomplekset; laget klarte imidlertid å skjerpe signalene ved å kjøle ned proteinene til svært lave temperaturer, sa hovedforfatter Jacob Dean, postdoktor i Scholes-laboratoriet.

Forskerne observerte systemet mens energi ble overført fra molekyl til molekyl, fra grønt lys med høy energi til rødt med lavere energi lys, med overflødig energi som går tapt som vibrasjonsenergi. Dette viste at et spesifikt spektralmønster som var en "smoking gun" for vibrasjonsresonans (eller vibrasjonstilpasning) mellom donor og akseptormolekyler, sa Dean.

Takket være vibrasjonstilpasningen kunne energi overføre mye raskere enn det ellers ville vært ved å distribuere eksitasjonen mellom molekyler. Effekten ga en mekanisme for det tidligere rapportert kvantekoherens.

Med dette i tankene har forskerne beregnet på nytt sin spådom og kom frem til en hastighet som var ca tre ganger raskere.

Scholeslaboratoriet har til hensikt å studere relaterte proteiner for å undersøke om denne mekanismen finnes i andre fotosyntetiske organismer.

Til slutt håper forskerne å utvikle lyshøstingssystemer med perfekt energioverføring inspirert av robust lyshøsting proteiner.

"Denne mekanismen er en kraftigere uttalelse av optimaliteten til disse proteinene,» sa Scholes.