Forskare får upp farten på fotosyntetiska algers ljusskördande hemligheter

December 23, 2016 Sedan miljontals år sedan har fotosyntetiska alger förfinat sin teknik för att fånga ljus.

Som ett resultat, deras ljusskördande system (proteiner som absorberar ljus att förvandlas till energi) är så kraftfulla som forskare har sökt att förstå och efterlikna dem att använda i förnybar energitillämpningar.

Nu har forskare vid Princeton University avslöjat en mekanism som förbättrar ljusskördningshastigheten för kryptofytalgen Chroomonas mesostigmatica. Deras resultat, publicerade i tidskriften Chem nyligen, ge värdefull insikt för utformningen av artificiell ljusskörd system som molekylära sensorer och solenergifångare.

Kryptofytalger lever ofta under organismer som absorberar det mesta solens strålar. Som ett resultat har de utvecklats för att trivas med dem våglängder av ljus som inte eftersöks av organismerna ovanför dem – främst de gulgröna färgerna.

De samlar detta gulgröna ljus energi och föra den genom ett nätverk av molekyler som omvandlar den till rött ljus, något som klorofyllmolekyler behöver utföra viktig fotosyntetisk kemi.

Forskarna har alltid varit fascinerade och fascinerade av hastigheten av energiöverföringen. Deras förutsägelser var alltid ungefär tre gånger långsammare än de observerade hastigheterna.

"De tidsskalor som energin är rörde sig genom proteinet – vi kunde aldrig förstå varför processen så snabbt," sa motsvarande författare Gregory Scholes, William S Tod Professor i kemi vid Princeton University.

2010 upptäckte hans team att dessa snabba priser berodde på en fenomen som kallas kvantkoherens, där molekyler delade elektronisk excitation och överföring av energi enligt kvantum mekaniska sannolikhetslagar istället för klassisk fysik. Men de kunde inte förklara exakt hur koherens fungerade för att snabba upp priserna – tills nu.

Med hjälp av en sofistikerad metod som möjliggörs av ultrasnabba lasrar, forskare mätte molekylernas ljusabsorption och spårade energiflöde genom systemet.

Normalt skulle absorptionssignalerna överlappar varandra, vilket gör dem omöjliga att tilldela specifika molekyler inom proteinkomplexet; laget kunde dock skärpa signalerna genom att kyla ner proteinerna till mycket låga temperaturer, sade huvudförfattaren Jacob Dean, postdoktor vid Scholes lab.

Forskarna observerade systemet när energi överfördes från molekyl till molekyl, från grönt ljus med hög energi till rött med lägre energi ljus, varvid överskottsenergi går förlorad som vibrationsenergi. Detta visade att ett specifikt spektralmönster som var en "smoking gun" för vibrationsresonans (eller vibrationsmatchning) mellan donatorn och acceptormolekyler, sa Dean.

Tack vare vibrationsmatchningen kunde energi överföra mycket snabbare än det annars skulle vara genom att distribuera exciteringen mellan molekyler. Effekten gav en mekanism för det tidigare rapporterad kvantkoherens.

Med detta i åtanke, forskarna räknade om sin förutsägelse och kom fram till en takt som var ca tre gånger snabbare.

Scholelabbet har för avsikt att studera relaterade proteiner för att undersöka om denna mekanism finns i andra fotosyntetiska organismer.

Så småningom hoppas forskarna kunna utveckla system för ljusskörd med perfekt energiöverföring inspirerad av den robusta ljusskörden proteiner.

"Denna mekanism är ett mer kraftfullt uttalande av optimaliteten för dessa proteiner,", sa Scholes.