Το καινοτόμο hack φωτοσύνθεσης ανοίγει τον δρόμο για καινοτομίες από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Οι ερευνητές έχουν «χακάρει» τα αρχικά στάδια του[{” 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.

Αν και η φωτοσύνθεση είναι μια ευρέως γνωστή και εκτενώς μελετημένη διαδικασία, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ ανακάλυψαν ότι εξακολουθεί να κρατά κρυμμένα μυστικά. Χρησιμοποιώντας τεχνικές υπερταχείας φασματοσκοπίας, διαπίστωσαν ότι η εξαγωγή ηλεκτρονίων από τις μοριακές δομές που είναι υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα σε προγενέστερα στάδια από ό,τι υποτίθεται προηγουμένως. Αυτή η «επανακαλωδίωση» της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη διαχείριση της περίσσειας ενέργειας και στην ανάπτυξη νέων, πιο αποτελεσματικών τρόπων αξιοποίησης των δυνατοτήτων της. Credit: Mary Iris

«Δεν ξέραμε τόσα πολλά για τη φωτοσύνθεση όσο νομίζαμε και η νέα οδός μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρήκαμε εδώ είναι αρκετά εκπληκτική», είπε ο Δρ.

Ενώ η φωτοσύνθεση είναι μια φυσική διαδικασία, οι επιστήμονες έχουν επίσης μελετήσει πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης, προσομοιώνοντας φωτοσυνθετικές διαδικασίες για την παραγωγή καθαρών καυσίμων από το φως του ήλιου και το νερό, για παράδειγμα.

Η Zhang και οι συνεργάτες της προσπαθούσαν αρχικά να καταλάβουν γιατί ένα μόριο σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται κινόνη θα μπορούσε να «κλέψει» ηλεκτρόνια από τη φωτοσύνθεση. Οι αλκενόνες είναι κοινές στη φύση και μπορούν εύκολα να δεχτούν και να εγκαταλείψουν ηλεκτρόνια. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται υπερταχεία παροδική φασματοσκοπία απορρόφησης για να μελετήσουν πώς συμπεριφέρονται οι κινόνες στα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων μελέτησε τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης σε ζωντανά κύτταρα σε μια εξαιρετικά γρήγορη χρονική κλίμακα ενός εκατομμυριοστού του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Παρά την εκτεταμένη έρευνα, η φωτοσύνθεση εξακολουθεί να κρατά μυστικά που δεν έχουν ανακαλυφθεί. Χρησιμοποιώντας τεχνικές υπερταχείας φασματοσκοπίας, η ομάδα ανακάλυψε ότι οι χημικές ουσίες εξάγουν ηλεκτρόνια από μοριακές δομές που εμπλέκονται στη φωτοσύνθεση σε πολύ προγενέστερα στάδια από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτή η “επανακαλωδίωση” μπορεί να βελτιώσει τον χειρισμό της πλεονάζουσας ισχύος από τη διαδικασία και να δημιουργήσει νέους, αποτελεσματικούς τρόπους αξιοποίησης της ισχύος της. Credit: Tommy Peake

«Κανείς δεν είχε μελετήσει σωστά πώς αυτό το μόριο αλληλεπιδρά με τους μηχανισμούς της φωτοσύνθεσης σε ένα τόσο πρώιμο στάδιο της φωτοσύνθεσης: νομίζαμε ότι χρησιμοποιούσαμε μια νέα τεχνική για να επιβεβαιώσουμε αυτό που ήδη γνωρίζαμε», είπε ο Zhang. «Αντίθετα, βρήκαμε ένα εντελώς νέο μονοπάτι και ανοίξαμε λίγο το μαύρο κουτί της φωτοσύνθεσης».

Χρησιμοποιώντας υπερταχεία φασματοσκοπία για την παρακολούθηση των ηλεκτρονίων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το πρωτεϊνικό ικρίωμα όπου συμβαίνουν οι αρχικές χημικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης είναι «διαρροή», επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να διαφύγουν. Αυτή η διαρροή μπορεί να βοηθήσει τα φυτά να προστατευτούν από ζημιές από το έντονο ή ταχέως μεταβαλλόμενο φως.

«Η φυσική της φωτοσύνθεσης είναι απίστευτα εντυπωσιακή», είπε ο συν-πρωτογράφος Tomi Baikie, από το Εργαστήριο Cavendish στο Cambridge. «Κανονικά, εργαζόμαστε με υλικά υψηλότερης τάξης, αλλά η παρατήρηση της μεταφοράς φορτίου μέσω των κυττάρων ανοίγει θαυμάσιες ευκαιρίες για νέες ανακαλύψεις σχετικά με το πώς λειτουργεί η φύση».

είπε η συν-πρώτη συγγραφέας Δρ Laura Way, η οποία έκανε τη δουλειά στο Τμήμα Βιοχημείας, που τώρα εδρεύει στο Πανεπιστήμιο του Turku, Φινλανδία. «Το γεγονός ότι δεν γνωρίζαμε ότι υπήρχε αυτό το μονοπάτι είναι συναρπαστικό, γιατί μπορούμε να το αξιοποιήσουμε για να εξάγουμε περισσότερη ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας».

Η δυνατότητα εξαγωγής φορτίου νωρίς στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, λένε οι ερευνητές, θα μπορούσε να κάνει τη διαδικασία πιο αποτελεσματική κατά τον χειρισμό των φωτοσυνθετικών οδών για την παραγωγή καθαρού καυσίμου από τον ήλιο. Επιπλέον, η ικανότητα ρύθμισης της φωτοσύνθεσης μπορεί να σημαίνει ότι οι καλλιέργειες θα μπορούσαν να αντέχουν καλύτερα το έντονο ηλιακό φως.

«Πολλοί επιστήμονες προσπάθησαν να εξαγάγουν ηλεκτρόνια από ένα προηγούμενο σημείο της φωτοσύνθεσης, αλλά είπαν ότι δεν είναι δυνατό επειδή η ενέργεια είναι θαμμένη στο πρωτεϊνικό ικρίωμα», είπε ο Zhang. “Το γεγονός ότι μπορούσαμε να τα κλέψουμε σε μια προηγούμενη επιχείρηση είναι εκπληκτικό. Στην αρχή, νομίζαμε ότι κάναμε ένα λάθος: μας πήρε λίγο χρόνο για να πείσουμε τους εαυτούς μας ότι το είχαμε κάνει.”

Το κλειδί για την ανακάλυψη ήταν η χρήση υπερταχείας φασματοσκοπίας, η οποία επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τη ροή της ενέργειας σε ζωντανά φωτοσυνθετικά κύτταρα σε κλίμακα femtosecond – ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου.

«Η χρήση αυτών των εξαιρετικά γρήγορων μεθόδων μας επέτρεψε να κατανοήσουμε περισσότερα για τα πρώιμα γεγονότα στη φωτοσύνθεση, από τα οποία εξαρτάται η ζωή στη Γη», δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Christopher Howe, από το Τμήμα Βιοχημείας.

Αναφορά: “Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” από 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 and Jenny Zhang, 22 Μαρτίου 2023, Διαθέσιμο εδώ. φύση.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), το Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) και αποτελεί μέρος του UK Research and Innovation (UKRI), καθώς και του Winton Program for Sustainability Physics στο Το Πανεπιστήμιο. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Ευρωπαϊκό και Διεθνές Ταμείο και Πρόγραμμα Έρευνας και Καινοτομίας της ΕΕ Horizon 2020. Η Jenny Zhang είναι υπότροφος David Phillips στο Τμήμα Χημείας και Μέλος του Κολλεγίου Corpus Christi του Cambridge. Ο Tomi Baikie είναι συνεργάτης NanoFutures στο Cavendish Laboratory. Η Laura Way είναι μεταδιδακτορική υπότροφος στο Novo Nordisk Foundation, University of Turku.