Hack-ul inovator al fotosintezei deschide calea pentru descoperiri în domeniul energiei regenerabile

Cercetătorii au „piratat” primele etape ale[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

Deși fotosinteza este un proces cunoscut și studiat pe scară largă, cercetătorii de la Universitatea din Cambridge au descoperit că încă mai deține secrete ascunse. Folosind tehnici de spectroscopie ultrarapidă, ei au descoperit că extracția de electroni din structurile moleculare responsabile de fotosinteză are loc în stadii mai timpurii decât se presupunea anterior. Această „recablare” a fotosintezei ar putea duce la o mai bună gestionare a excesului de energie și la dezvoltarea unor modalități noi și mai eficiente de a-și valorifica potențialul. Credit: Mary Ayers

„Nu știam atât de multe despre fotosinteză pe cât credeam, iar noua cale de transfer de electroni pe care am găsit-o aici este destul de surprinzătoare”, a spus dr.

În timp ce fotosinteza este un proces natural, oamenii de știință au studiat și modul în care ar putea fi utilizată pentru a ajuta la combaterea crizei climatice, prin simularea proceselor fotosintetice pentru a genera combustibili curați din lumina soarelui și apă, de exemplu.

Zhang și colegii ei au încercat inițial să înțeleagă de ce o moleculă în formă de inel numită chinonă ar putea „fura” electroni din fotosinteză. Alchenonele sunt comune în natură și pot accepta cu ușurință și renunță la electroni. Cercetătorii au folosit o tehnică numită spectroscopie de absorbție tranzitorie ultrarapidă pentru a studia modul în care se comportă chinonele în cianobacteriile fotosintetice.

O echipă internațională de oameni de știință a studiat procesul de fotosinteză în celulele vii pe o scară de timp ultra-rapidă de o milione de milione de secundă. În ciuda cercetărilor ample, fotosinteza deține încă secrete nedescoperite. Folosind tehnici de spectroscopie ultrarapidă, echipa a descoperit că substanțele chimice extrag electroni din structurile moleculare implicate în fotosinteză în stadii mult mai timpurii decât se credea anterior. Această „recablare” poate îmbunătăți gestionarea de către proces a puterii în exces și poate genera noi modalități eficiente de a-și valorifica puterea. Credit: Tommy Peake

„Nimeni nu a studiat în mod corespunzător modul în care această moleculă interacționează cu mecanismele fotosintezei într-un stadiu atât de timpuriu al fotosintezei: am crezut că folosim o nouă tehnică pentru a confirma ceea ce știam deja”, a spus Zhang. „În schimb, am găsit o cale complet nouă și am deschis puțin cutia neagră a fotosintezei”.

Folosind spectroscopie ultrarapidă pentru a monitoriza electronii, cercetătorii au descoperit că schela proteică unde au loc reacțiile chimice inițiale ale fotosintezei este „scurtă”, permițând electronilor să scape. Această infiltrație poate ajuta plantele să se protejeze de daune cauzate de lumina puternică sau care se schimbă rapid.

„Fizica fotosintezei este incredibil de impresionantă”, a spus co-autorul Tomi Baikie, de la Laboratorul Cavendish din Cambridge. „În mod normal, lucrăm cu materiale de ordin superior, dar observarea transportului de sarcină prin celule deschide oportunități minunate pentru noi descoperiri despre modul în care funcționează natura”.

a spus co-primul autor dr. Laura Way, care a lucrat la Departamentul de Biochimie, care acum se bazează la Universitatea din Turku, Finlanda. „Faptul că nu știam că există această cale este incitant, pentru că o putem valorifica pentru a extrage mai multă energie din surse regenerabile”.

Fiind capabil să extragă încărcătura la începutul procesului de fotosinteză, spun cercetătorii, ar putea face procesul mai eficient atunci când manipulează căile fotosintetice pentru a genera combustibil curat de la soare. În plus, capacitatea de a regla fotosinteza poate însemna că culturile ar putea rezista mai bine la lumina intensă a soarelui.

„Mulți oameni de știință au încercat să extragă electroni dintr-un punct anterior al fotosintezei, dar au spus că nu este posibil, deoarece energia este îngropată în schela proteică”, a spus Zhang. „Faptul că am putut să-l furăm într-o operație anterioară este uimitor. La început, am crezut că am făcut o greșeală: a durat ceva timp până ne convingem că am făcut-o.”

Cheia descoperirii a fost utilizarea spectroscopiei ultrarapide, care a permis cercetătorilor să urmărească fluxul de energie în celulele fotosintetice vii la o scară femtosecundă – o miime de trilionime de secundă.

„Folosirea acestor metode ultra-rapide ne-a permis să înțelegem mai multe despre evenimentele timpurii din fotosinteză, de care depinde viața pe Pământ”, a spus coautorul profesorului Christopher Howe, de la Departamentul de Biochimie.

Referință: „Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” de Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao și Jenny Zhang, 22 martie 2023, disponibil aici. natură.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Cercetarea a fost susținută parțial de Consiliul de Cercetare în Inginerie și Științe Fizice (EPSRC), Consiliul de Cercetare în Biotehnologie și Științe Biologice (BBSRC) și face parte din Cercetare și Inovare din Regatul Unit (UKRI), precum și de Programul Winton pentru Fizica Durabilă de la Universitatea. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Fondul european și internațional și Programul de cercetare și inovare al UE Horizon 2020. Jenny Zhang este David Phillips Fellow în cadrul Departamentului de Chimie și Fellow al Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie este bursier NanoFutures la Laboratorul Cavendish. Laura Way este bursier postdoctoral la Fundația Novo Nordisk, Universitatea din Turku.