Ξεκλειδώστε τα μυστικά της φωτοσύνθεσης

Ένα πείραμα αιχμής αποκάλυψε την κβαντική δυναμική που βρίσκεται κάτω από μια από τις πιο σημαντικές διαδικασίες της φύσης.

Χρησιμοποιώντας ένα σύμπλεγμα ορυκτών χρωστικών, πρωτεϊνών, ενζύμων και συνενζύμων, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί μπορούν να μετατρέψουν την ενέργεια στο φως στη χημική ενέργεια της ζωής. Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο φύση Τώρα αποκάλυψε ότι αυτή η φυσική χημική διαδικασία είναι ευαίσθητη στη μικρότερη δυνατή ποσότητα φωτός – ταυτόχρονα Φωτόνιο.

Αυτή η ανακάλυψη ενισχύει την τρέχουσα κατανόησή μας για τους ζωντανούς οργανισμούς Φωτοσύνθεση Και θα βοηθήσει να απαντηθούν ερωτήσεις σχετικά με το πώς λειτουργεί η ζωή στη μικρότερη κλίμακα, όπου συναντώνται η κβαντική φυσική και η βιολογία.

“Έχει γίνει τεράστιος όγκος εργασίας, θεωρητικής και πειραματικής, σε όλο τον κόσμο προσπαθώντας να κατανοήσουμε τι συμβαίνει μετά την απορρόφηση ενός φωτονίου. Αλλά συνειδητοποιήσαμε ότι κανείς δεν μιλούσε για το πρώτο βήμα”, δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Graham Fleming. Βιολόγος στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) και καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, “Αυτή η ερώτηση χρειαζόταν ακόμα μια λεπτομερή απάντηση.”

Στη μελέτη τους, ο Fleming, η συν-επικεφαλής συγγραφέας Birgitta Whaley, ανώτερη επιστήμονας της σχολής στον τομέα των ενεργειακών επιστημών στο Berkeley Lab, και οι ερευνητικές τους ομάδες δείχνουν ότι ένα μόνο φωτόνιο μπορεί πράγματι να ξεκινήσει το πρώτο βήμα της φωτοσύνθεσης σε φωτοσυνθετικά βακτήρια ματζέντα. Επειδή όλοι οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν παρόμοιες διαδικασίες και μοιράζονται έναν εξελικτικό πρόγονο, η ομάδα είναι πεπεισμένη ότι η φωτοσύνθεση στα φυτά και στα φύκια λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. «Η φύση έχει εφεύρει ένα πολύ έξυπνο κόλπο», είπε ο Φλέμινγκ.

Πώς χρησιμοποιούν το φως τα ζωντανά συστήματα;

Με βάση το πόσο αποτελεσματικά η φωτοσύνθεση μετατρέπει το φως του ήλιου σε μόρια πλούσια σε ενέργεια, οι επιστήμονες έχουν υποθέσει εδώ και καιρό ότι ένα μόνο φωτόνιο είναι το μόνο που χρειάζεται για να ξεκινήσει μια αντίδραση, καθώς τα φωτόνια περνούν ενέργεια στα ηλεκτρόνια τα οποία στη συνέχεια ανταλλάσσουν θέσεις με ηλεκτρόνια σε διαφορετικά μόρια, κάτι που τελικά οδηγεί στον σχηματισμό των πρωταρχικών συστατικών για την παραγωγή πολυσακχαριτών. Εξάλλου, ο ήλιος δεν παρέχει τόσα φωτόνια -μόνο χίλια φωτόνια φτάνουν σε ένα μόριο χλωροφύλλης ανά δευτερόλεπτο μια ηλιόλουστη μέρα- και όμως αυτή η διαδικασία συμβαίνει αξιόπιστα σε ολόκληρο τον πλανήτη.

Ωστόσο, «κανείς δεν υποστήριξε ποτέ αυτή την υπόθεση με μια επίδειξη», είπε ο πρώτος συγγραφέας Quanwei Li, ένας κοινός μεταδιδακτορικός ερευνητής που ανέπτυξε νέες πειραματικές τεχνικές με κβαντικό φως στις ομάδες του Fleming και του Whaley.

Για να περιπλέξει περαιτέρω τα πράγματα, πολλές έρευνες που αποκάλυψαν μικρές λεπτομέρειες σχετικά με τα μεταγενέστερα στάδια της φωτοσύνθεσης έχουν γίνει διεγείροντας φωτοσυνθετικά μόρια με ισχυρούς, εξαιρετικά γρήγορους παλμούς λέιζερ.

Ο συν-συγγραφέας Graham Fleming, αριστερά, και ο πρώτος συγγραφέας Quanwei Li κοντά σε κάποιο από τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε στο πρωτοποριακό πείραμά τους. Πίστωση: Henry Lam/Fleming Lab

«Υπάρχει τεράστια διαφορά στην ένταση μεταξύ λέιζερ και ηλιακού φωτός – μια τυπική εστιασμένη ακτίνα λέιζερ είναι ένα εκατομμύριο φορές φωτεινότερη από το φως του ήλιου», μου είπε. Ακόμα κι αν μπορούσατε να παράγετε μια ασθενή δέσμη με ένταση ίδια με αυτή του ηλιακού φωτός, θα εξακολουθούσε να είναι πολύ διαφορετική λόγω των κβαντικών ιδιοτήτων του φωτός που ονομάζονται στατιστικές φωτονίων. Εξήγησε ότι επειδή κανείς δεν είδε ένα φωτόνιο να απορροφάται, δεν ξέρουμε τι διαφορά έχει και τι είδους φωτόνιο είναι. «Όμως όπως χρειάζεται να κατανοήσετε κάθε σωματίδιο για να φτιάξετε έναν κβαντικό υπολογιστή, πρέπει να μελετήσουμε τις κβαντικές ιδιότητες των ζωντανών συστημάτων για να τις κατανοήσουμε πραγματικά και να δημιουργήσουμε αποτελεσματικά τεχνητά συστήματα που παράγουν ανανεώσιμα καύσιμα».

Η φωτοσύνθεση, όπως και άλλες χημικές αντιδράσεις, έγινε αρχικά κατανοητή σε αθροιστική μορφή – που σημαίνει ότι γνωρίζαμε ποιες ήταν οι συνολικές εισροές και εξόδους, και από αυτό, μπορούσαμε να συμπεράνουμε πώς μοιάζουν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεμονωμένων μορίων. Στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, η πρόοδος της τεχνολογίας επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν απευθείας μεμονωμένες χημικές ουσίες κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων. Τώρα, οι επιστήμονες αρχίζουν να εξερευνούν τα ακόλουθα όριατο άτομο καλαμπόκικαι την κλίμακα υποατομικών σωματιδίων, χρησιμοποιώντας πιο προηγμένες τεχνικές.

Από την υπόθεση στο γεγονός

Ο σχεδιασμός ενός πειράματος που θα επέτρεπε την παρατήρηση μεμονωμένων φωτονίων σήμαινε τη συγκέντρωση μιας μοναδικής ομάδας θεωρητικών και πειραματιστών που συνδύαζαν εργαλεία αιχμής από την κβαντική οπτική και τη βιολογία. «Ήταν νέο για τους ανθρώπους που μελετούν τη φωτοσύνθεση, επειδή συνήθως δεν χρησιμοποιούν αυτά τα εργαλεία και ήταν καινούργιο για τους ανθρώπους που ειδικεύονται στην κβαντική οπτική επειδή συνήθως δεν σκεφτόμαστε να εφαρμόσουμε αυτές τις τεχνικές σε πολύπλοκα βιολογικά συστήματα», δήλωσε ο Wally. , ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη. Είναι επίσης καθηγητής χημικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

Οι επιστήμονες δημιούργησαν μια πηγή φωτονίων που παράγει ένα μόνο ζεύγος φωτονίων μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αυθόρμητη μετατροπή προς τα κάτω. Κατά τη διάρκεια κάθε παλμού, το πρώτο φωτόνιο – ο «κήρυξ» – ανιχνεύτηκε από έναν εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτή, ο οποίος επιβεβαίωσε ότι το δεύτερο φωτόνιο ήταν καθ’ οδόν προς το συλλεγμένο δείγμα μοριακών δομών που απορροφούν το φως από τα φωτοσυνθετικά βακτήρια. Ένας άλλος ανιχνευτής φωτονίων εγκαταστάθηκε κοντά στο δείγμα για να μετρήσει το φωτόνιο χαμηλής ενέργειας που εκπέμπεται από τη φωτονική δομή αφού απορρόφησε το δεύτερο φωτόνιο «κήρυξης» του αρχικού ζεύγους.

Η δομή που απορροφά το φως που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα που ονομάζεται LH2 έχει μελετηθεί εκτενώς. Τα φωτόνια σε μήκος κύματος 800 nm είναι γνωστό ότι απορροφώνται από έναν δακτύλιο 9 μορίων βακτηριοχλωροφύλλης στο LH2, περνώντας ενέργεια σε έναν δεύτερο δακτύλιο 18 μορίων βακτηριοχλωροφύλλης που μπορούν να εκπέμπουν φθορίζοντα φωτόνια στα 850 nm. Στα αρχικά βακτήρια, η ενέργεια από τα φωτόνια συνεχίζει να περνά στα επόμενα μόρια μέχρι να χρησιμοποιηθεί για να ξεκινήσει η χημεία της φωτοσύνθεσης. Αλλά στο πείραμα, όταν τα LH2 διαχωρίστηκαν από τα άλλα κυτταρικά μηχανήματα, η ανίχνευση του φωτονίου των 850 nm χρησίμευσε ως το τελικό σημάδι ότι η διαδικασία είχε ενεργοποιηθεί.

“Αν έχεις μόνο ένα φωτόνιο, είναι πολύ εύκολο να το χάσεις. Αυτή ήταν η κύρια δυσκολία με αυτό το πείραμα και γι’ αυτό χρησιμοποιούμε το Photon Herald”, είπε ο Fleming. Οι επιστήμονες ανέλυσαν περισσότερα από 17,7 δισεκατομμύρια συμβάντα ανίχνευσης φωτονίων και 1,6 εκατομμύρια φωτόνια Ο φθορισμός φωτονίων χρησιμοποιήθηκε για να διασφαλιστεί ότι οι παρατηρήσεις θα μπορούσαν να αποδοθούν μόνο στην απορρόφηση ενός μόνο φωτονίου και ότι κανένας άλλος παράγοντας δεν επηρέασε τα αποτελέσματα.

“Νομίζω ότι το πρώτο πράγμα είναι ότι αυτό το πείραμα έδειξε ότι μπορείτε να κάνετε πράγματα με μεμονωμένα φωτόνια. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό σημείο”, είπε ο Wally. “Το επόμενο πράγμα είναι, τι άλλο μπορούμε να κάνουμε; Στόχος μας είναι να μελετήσουμε τη μεταφορά ενέργειας μεμονωμένων φωτονίων μέσω του συμπλέγματος φωτοσύνθεσης στη συντομότερη δυνατή χρονική και χωρική κλίμακα».

Αναφορά: «Single Photon Absorption and Emission from the Natural Photosynthetic Complex» των Quanwei Li, Kaydren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabines-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, Graham R. Fleming και K. Birgitta Wally, 14 Ιουνίου 2023, Διαθέσιμο εδώ. φύση.
DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5