30 мар 2023 2 602

Ученые «взломали» самые ранние стадии фотосинтеза, естественную машину, которая питает подавляющее большинство жизни на Земле

Международная команда физиков, химиков и биологов во главе с Кембриджским университетом смогла изучить ранний фотосинтез — процесс, с помощью которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечный свет в энергию — в живых клетках в сверхбыстрой временной шкале: миллионная часть миллионной доли секунды.

Несмотря на то, что это один из самых известных и хорошо изученных процессов на Земле, исследователи обнаружили, что у фотосинтеза все еще есть секреты, которые можно успешно использовать во благо человечества. Используя сверхбыстрые спектроскопические методы для изучения движения энергии, исследователи обнаружили, что химические вещества, которые могут извлекать электроны из молекулярных структур, ответственных за фотосинтез, делают это на начальных этапах, а не намного позже, как считалось ранее.

Эта «перекомпоновка» фотосинтеза может улучшить понимание того, как он справляется с избыточной энергией, и создать новые и более эффективные способы использования своей мощности.

Мы не знали так много о фотосинтезе, как мы думали, и новый путь переноса электронов, который мы нашли здесь, совершенно удивителен

— Дженни Чжан из Кембриджского факультета химии Юсуфа Хамида.

В то время как фотосинтез является естественным процессом, ученые также изучают, как его можно использовать для решения климатического кризиса, имитируя процессы фотосинтеза для производства чистого топлива из солнечного света и воды.

Чжан и ее коллеги первоначально пытались понять, почему кольцеобразная молекула, называемая хиноном, способна «красть» электроны из фотосинтеза. Хиноны распространены в природе и могут легко принимать и отдавать электроны. Исследователи использовали технику, называемую сверхбыстрой транзиторной абсорбционной спектроскопией, для изучения того, как хиноны ведут себя в фотосинтетических цианобактериях.

Никто должным образом не изучал, как эта молекула взаимодействует с фотосинтетическим механизмом в такой ранней точке фотосинтеза: мы думали, что просто используем новую технику, чтобы подтвердить то, что мы уже знали. Вместо этого мы нашли совершенно новый путь и заглянули в черный ящик фотосинтеза немного дальше.
Многие ученые пытались извлечь электроны из более ранней точки фотосинтеза, но сказали, что это невозможно, потому что энергия настолько похоронена в белковом каркасе. Тот факт, что мы можем украсть их на более раннем процессе, является умопомрачительным. Сначала мы думали, что совершили ошибку: нам потребовалось некоторое время, чтобы убедить себя: мы это сделали!

— Дженни Чжан.

Исследователи говорят, что возможность извлекать заряды на более ранней точке процесса фотосинтеза может сделать процесс более эффективным при манипулировании путями фотосинтеза для получения чистого топлива от Солнца. Кроме того, способность регулировать фотосинтез может означать, что сельскохозяйственные культуры могут быть более способны переносить интенсивный солнечный свет.

Поскольку электроны от фотосинтеза рассеиваются по всей системе, это означает, что мы можем получить к ним доступ. Мы не знали, что этот путь существует, теперь мы могли бы использовать его для извлечения большего количества энергии для возобновляемых источников энергии

— доктор Лаура Вей.

Результаты исследования бросают вызов предыдущим моделям, согласно которым фотовозбужденные реакционные центры изолированы в белковом каркасе фотосистемы, открывая новые возможности для изучения и повторного фотосинтеза для биотехнологий и полуискусственного фотосинтеза.

Полное описание исследования опубликовано в журнале "Природа"