Các nhà khoa học tăng tốc bí mật thu hoạch ánh sáng của tảo quang hợp

December 23, 2016 Kể từ hàng triệu năm trước, tảo quang hợp đã cải tiến kỹ thuật thu ánh sáng của chúng.

Kết quả là hệ thống thu hoạch ánh sáng của chúng (protein hấp thụ ánh sáng chuyển thành năng lượng) mạnh đến mức các nhà khoa học đã tìm kiếm để hiểu và bắt chước chúng để sử dụng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.

Bây giờ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Princeton đã tiết lộ một cơ chế tăng cường tốc độ thu hoạch ánh sáng của tảo cryptophyte Chroomonas trung thị. Phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Chem gần đây, cung cấp cái nhìn sâu sắc có giá trị cho việc thiết kế thu hoạch ánh sáng nhân tạo các hệ thống như cảm biến phân tử và bộ thu năng lượng mặt trời.

Tảo cryptophyte thường sống bên dưới các sinh vật hấp thụ hầu hết các chất Tia nắng. Kết quả là chúng đã tiến hóa để phát triển mạnh nhờ những điều đó. bước sóng ánh sáng không được các sinh vật phía trên chúng tìm kiếm – chủ yếu là các màu xanh vàng.

Chúng thu thập ánh sáng vàng lục này năng lượng và truyền nó qua một mạng lưới các phân tử chuyển đổi nó thành ánh sáng đỏ, thứ mà phân tử diệp lục cần thực hiện hoá học quang hợp quan trọng.

Các nhà khoa học luôn bị mê hoặc và tò mò bởi tốc độ của sự truyền năng lượng. Dự đoán của họ luôn là khoảng ba lần chậm hơn tốc độ quan sát được.

"Khoảng thời gian mà năng lượng được cung cấp di chuyển qua protein – chúng ta không bao giờ có thể hiểu tại sao quá trình này quá nhanh," tác giả tương ứng Gregory Scholes, William S Tod, cho biết Giáo sư Hóa học tại Đại học Princeton.

Năm 2010, nhóm của ông phát hiện ra rằng tốc độ nhanh này là do hiện tượng gọi là sự kết hợp lượng tử, trong đó các phân tử chia sẻ kích thích điện tử và truyền năng lượng theo lượng tử luật xác suất cơ học thay vì vật lý cổ điển. Tuy nhiên, họ không thể giải thích chính xác sự mạch lạc hoạt động như thế nào để tăng tốc độ – cho đến bây giờ.

Sử dụng một phương pháp tinh vi được tạo ra bởi tia laser cực nhanh, các nhà nghiên cứu đã đo sự hấp thụ ánh sáng của các phân tử và theo dõi dòng năng lượng đi qua hệ thống.

Thông thường các tín hiệu hấp thụ sẽ chồng lên nhau, khiến chúng không thể được gán cho các phân tử cụ thể bên trong phức hợp protein; tuy nhiên, nhóm đã có thể làm sắc nét các tín hiệu bằng cách làm lạnh protein xuống nhiệt độ rất thấp, tác giả chính cho biết Jacob Dean, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Scholes.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát hệ thống này khi năng lượng được truyền từ phân tử này sang phân tử khác, từ ánh sáng xanh năng lượng cao đến ánh sáng đỏ năng lượng thấp hơn ánh sáng, năng lượng dư thừa bị mất đi dưới dạng năng lượng dao động. Điều này cho thấy rằng một mẫu quang phổ cụ thể từng là "khẩu súng hút thuốc" cho cộng hưởng rung động (hoặc kết hợp rung động) giữa người cho và phân tử chấp nhận, Dean nói.

Nhờ có sự phối hợp rung động, năng lượng có thể truyền được nhiều nhanh hơn bằng cách phân phối sự kích thích giữa các phân tử. Hiệu ứng này đã cung cấp một cơ chế cho quá trình trước đó báo cáo sự kết hợp lượng tử.

Với suy nghĩ này, các nhà nghiên cứu đã tính toán lại dự đoán của họ và đạt được tốc độ khoảng nhanh hơn gấp ba lần.

Phòng thí nghiệm của Scholes dự định nghiên cứu các protein liên quan để điều tra liệu cơ chế này có được tìm thấy ở các sinh vật quang hợp khác hay không.

Cuối cùng, các nhà khoa học hy vọng sẽ phát triển được hệ thống thu hoạch ánh sáng với khả năng truyền năng lượng hoàn hảo lấy cảm hứng từ việc thu hoạch ánh sáng mạnh mẽ protein.

"Cơ chế này là một tuyên bố mạnh mẽ hơn về sự tối ưu của các protein này" Scholes nói.