Znanstveniki se poglobijo v skrivnosti pridobivanja svetlobe fotosintetskih alg

December 23, 2016 Že pred milijoni let so fotosintetične alge izpopolnjevale svojo tehniko za zajemanje svetlobe.

Posledično njihovi sistemi za zbiranje svetlobe (beljakovine, ki absorbirajo svetlobo pretvoriti v energijo) so tako močni, da so znanstveniki iskali razumeti in posnemati jih za uporabo v aplikacijah obnovljive energije.

Zdaj so raziskovalci na univerzi Princeton razkrili mehanizem, ki poveča stopnjo pridobivanja svetlobe kriptofitne alge Chroomonas mesostigmatica. Njihove ugotovitve, nedavno objavljene v reviji Chem journal, zagotavljajo dragocen vpogled v načrtovanje umetnega pridobivanja svetlobe sistemi, kot so molekularni senzorji in zbiralniki sončne energije.

Kriptofitne alge pogosto živijo pod organizmi, ki absorbirajo večino sončni žarki. Posledično so se razvili tako, da jim uspevajo valovne dolžine svetlobe, ki jih organizmi nad njimi ne iščejo – predvsem rumeno-zelene barve.

Zbirajo to rumeno-zeleno svetlobo energijo in jo prenese skozi mrežo molekul, ki jo pretvori v rdeča luč, nekaj, kar morajo opraviti molekule klorofila pomembna fotosintezna kemija.

Znanstveniki so bili vedno fascinirani in intrigirani nad hitrostjo prenosa energije. Njihove napovedi so bile vedno približno trikratne počasneje od opazovanih stopenj.

"Časovne lestvice, ki jih predstavlja energija gibal skozi beljakovino – nikoli nismo mogli razumeti, zakaj ta proces tako hitro," je povedal ustrezni avtor Gregory Scholes, William S. Tod Profesor kemije na univerzi Princeton.

Leta 2010 je njegova ekipa odkrila, da so te visoke stopnje posledica a pojav, imenovan kvantna koherenca, pri katerem si molekule delijo elektronsko vzbujanje in prenos energije glede na kvant mehanske verjetnostne zakone namesto klasične fizike. Vendar pa so ni mogel natančno razložiti, kako je skladnost delovala pri pospeševanju stopenj – do zdaj.

Z uporabo sofisticirane metode, ki jo omogočajo ultrahitri laserji, je raziskovalci so izmerili absorpcijo svetlobe molekul in sledili pretok energije skozi sistem.

Običajno bi absorpcijski signali prekrivajo, zaradi česar jih ni mogoče dodeliti določenim molekulam znotraj beljakovinski kompleks; vendar je ekipa lahko izostrila signale s hlajenjem beljakovin na zelo nizke temperature, je dejal glavni avtor Jacob Dean, podoktorski raziskovalec v laboratoriju Scholes.

Raziskovalci so opazovali sistem med prenosom energije molekula do molekule, od visokoenergijske zelene svetlobe do nižjeenergijske rdeče svetloba, pri čemer se odvečna energija izgubi kot energija vibracij. To je pokazalo da je poseben spektralni vzorec, za katerega se je kadilo vibracijsko resonanco (ali vibracijsko ujemanje) med darovalcem in akceptorske molekule, je dejal Dean.

Zahvaljujoč ujemanju vibracij je bilo mogoče veliko prenesti energije hitreje, kot bi bilo sicer s porazdelitvijo vzbujanja med molekulami. Učinek je zagotovil mehanizem za prej poročali o kvantni koherenci.

S tem v mislih so raziskovalci preračunali svojo napoved in prišli do stopnje, ki je bila približno trikrat hitreje.

Laboratorij Scholes namerava raziskati sorodne beljakovine ali ta mehanizem najdemo v drugih fotosintetskih organizmih.

Sčasoma znanstveniki upajo, da bodo razvili sisteme za zbiranje svetlobe s popolnim prenosom energije, ki ga navdihuje robustno pridobivanje svetlobe beljakovine.

"Ta mehanizem je še ena močnejša izjava optimalnost teh proteinov," je dejal Scholes.