นักวิทยาศาสตร์เร่งค้นหาความลับในการเก็บเกี่ยวแสงของสาหร่ายสังเคราะห์แสง

December 23, 2016 ตั้งแต่หลายล้านปีก่อน สาหร่ายสังเคราะห์แสงได้ปรับปรุงเทคนิคในการจับแสง

เป็นผลให้ระบบการเก็บเกี่ยวแสง (โปรตีนที่ดูดซับแสง) ให้กลายเป็นพลังงาน) มีพลังมากจนนักวิทยาศาสตร์แสวงหา เพื่อทำความเข้าใจและเลียนแบบเพื่อใช้ในการใช้พลังงานทดแทน

ขณะนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันได้เปิดเผยกลไกดังกล่าว ช่วยเพิ่มอัตราการเก็บเกี่ยวแสงของสาหร่าย cryptophyte Chroomonas มีโสสติกมาติกา การค้นพบของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Chem เมื่อเร็ว ๆ นี้ ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าสำหรับการออกแบบการเก็บเกี่ยวแสงประดิษฐ์ ระบบเช่นเซ็นเซอร์โมเลกุลและตัวสะสมพลังงานแสงอาทิตย์

สาหร่าย Cryptophyte มักจะอาศัยอยู่ใต้สิ่งมีชีวิตที่ดูดซับส่วนใหญ่ของ รังสีดวงอาทิตย์ เป็นผลให้พวกเขามีการพัฒนาที่จะเจริญเติบโตบนสิ่งเหล่านั้น ความยาวคลื่นของแสงที่สิ่งมีชีวิตเหนือพวกมันไม่ต้องการ - ส่วนใหญ่เป็นสีเหลืองเขียว

พวกมันรวบรวมแสงสีเหลืองเขียวนี้ พลังงานและส่งผ่านเครือข่ายโมเลกุลที่แปลงเป็น แสงสีแดง ซึ่งเป็นสิ่งที่โมเลกุลคลอโรฟิลล์จำเป็นต้องทำ เคมีสังเคราะห์แสงที่สำคัญ

นักวิทยาศาสตร์หลงใหลและทึ่งกับความเร็วมาโดยตลอด ของการถ่ายโอนพลังงาน คำทำนายของพวกเขามักจะประมาณสามครั้งเสมอ ช้ากว่าอัตราที่สังเกตได้

"ช่วงเวลาที่มีพลังงาน เคลื่อนตัวผ่านโปรตีน – เราไม่มีทางเข้าใจเลยว่าทำไมถึงเป็นกระบวนการนี้ เร็วมาก" ผู้เขียน Gregory Scholes, William S Tod กล่าว ศาสตราจารย์วิชาเคมีแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

ในปี 2010 ทีมงานของเขาค้นพบว่าอัตราที่รวดเร็วเหล่านี้มีสาเหตุมาจาก ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม ซึ่งโมเลกุลใช้ร่วมกัน การกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์และการถ่ายโอนพลังงานตามควอนตัม กฎความน่าจะเป็นเชิงกลแทนฟิสิกส์คลาสสิก อย่างไรก็ตามพวกเขา ไม่สามารถอธิบายได้แน่ชัดว่าการเชื่อมโยงกันทำงานอย่างไรเพื่อเร่งความเร็วอัตรา – จนถึงตอนนี้.

ด้วยการใช้วิธีการที่ซับซ้อนด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ นักวิจัยวัดการดูดกลืนแสงของโมเลกุลและติดตาม พลังงานที่ไหลผ่านระบบ

โดยปกติแล้วสัญญาณการดูดซึมจะเป็นเช่นนั้น ทับซ้อนกันทำให้ไม่สามารถกำหนดให้กับโมเลกุลเฉพาะภายในได้ โปรตีนคอมเพล็กซ์ อย่างไรก็ตามทีมงานก็สามารถลับสัญญาณได้ โดยการทำให้โปรตีนเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมาก ผู้เขียนนำกล่าว เจค็อบ ดีน นักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของสโคลส์

นักวิจัยสังเกตระบบในขณะที่พลังงานถูกถ่ายโอนมา โมเลกุลสู่โมเลกุล จากแสงสีเขียวพลังงานสูงไปจนถึงสีแดงพลังงานต่ำ แสง โดยพลังงานส่วนเกินจะสูญเสียไปเป็นพลังงานสั่นสะเทือน สิ่งนี้แสดงให้เห็น ซึ่งเป็นรูปแบบสเปกตรัมเฉพาะที่เป็น "ปืนสูบบุหรี่" เสียงสะท้อนแบบสั่น (หรือการจับคู่แบบสั่น) ระหว่างผู้บริจาคและ โมเลกุลของตัวรับ คณบดีกล่าว

การจับคู่แบบสั่นช่วยให้สามารถถ่ายโอนพลังงานได้มาก เร็วกว่านั้นก็คงจะเป็นโดยการกระจายแรงกระตุ้น ระหว่างโมเลกุล ผลกระทบ ที่ได้เป็นกลไกสำหรับก่อนหน้านี้ รายงานการเชื่อมโยงกันของควอนตัม

ด้วยเหตุนี้นักวิจัยจึง คำนวณการคาดการณ์ของพวกเขาใหม่ และมาถึงอัตราที่ประมาณนั้น เร็วขึ้นสามเท่า

ห้องปฏิบัติการของ Scholes ตั้งใจที่จะศึกษาโปรตีนที่เกี่ยวข้องเพื่อตรวจสอบ ไม่ว่าจะพบกลไกนี้ในสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงอื่น ๆ หรือไม่

ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็หวังที่จะพัฒนาระบบการเก็บเกี่ยวแสง พร้อมการถ่ายโอนพลังงานที่สมบูรณ์แบบซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากการเก็บเกี่ยวแสงที่แข็งแกร่ง โปรตีน

"กลไกนี้เป็นอีกหนึ่งคำกล่าวที่ทรงพลังยิ่งกว่าของ การเพิ่มประสิทธิภาพของโปรตีนเหล่านี้" สโคลส์กล่าว