Инновационный метод фотосинтеза прокладывает путь к прорывам в области возобновляемых источников энергии

Исследователи «взломали» ранние стадии[{» 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.

Хотя фотосинтез является широко известным и хорошо изученным процессом, исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что он все еще хранит скрытые секреты. Используя методы сверхбыстрой спектроскопии, они обнаружили, что извлечение электронов из молекулярных структур, ответственных за фотосинтез, происходит на более ранних стадиях, чем предполагалось ранее. Эта «перестройка» фотосинтеза может привести к лучшему управлению избыточной энергией и разработке новых, более эффективных способов использования ее потенциала. Кредит: Мэри Эйерс

«Мы знали о фотосинтезе не так много, как думали, и новый путь переноса электронов, который мы здесь обнаружили, весьма удивителен», — сказал доктор.

Хотя фотосинтез является естественным процессом, ученые также изучают, как его можно использовать для преодоления климатического кризиса, например, моделируя процессы фотосинтеза для получения чистого топлива из солнечного света и воды.

Чжан и ее коллеги изначально пытались понять, почему кольцеобразная молекула, называемая хиноном, может «воровать» электроны из фотосинтеза. Алкеноны распространены в природе, и они могут легко принимать и отдавать электроны. Исследователи использовали технику сверхбыстрой переходной абсорбционной спектроскопии для изучения поведения хинонов в фотосинтезирующих цианобактериях.

Международная группа ученых изучила процесс фотосинтеза в живых клетках в сверхбыстром масштабе времени в миллионную миллионную долю секунды. Несмотря на обширные исследования, фотосинтез все еще хранит нераскрытые секреты. Используя методы сверхбыстрой спектроскопии, команда обнаружила, что химические вещества извлекают электроны из молекулярных структур, участвующих в фотосинтезе, на гораздо более ранних стадиях, чем считалось ранее. Такая «перестройка» может улучшить процесс обработки избыточной мощности и создать новые, эффективные способы использования ее мощности. Кредит: Томми Пик

«Никто должным образом не изучал, как эта молекула взаимодействует с механизмами фотосинтеза на такой ранней стадии фотосинтеза: мы думали, что используем новую технику, чтобы подтвердить то, что мы уже знали», — сказал Чжан. «Вместо этого мы нашли совершенно новый путь и немного приоткрыли черный ящик фотосинтеза».

Используя сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за электронами, исследователи обнаружили, что белковый каркас, на котором происходят начальные химические реакции фотосинтеза, является «дырявым», что позволяет электронам ускользать. Это просачивание может помочь растениям защитить себя от повреждения ярким или быстро меняющимся светом.

«Физика фотосинтеза невероятно впечатляет», — сказал соавтор Томи Байки из Кавендишской лаборатории в Кембридже. «Обычно мы работаем с материалами более высокого порядка, но наблюдение за переносом заряда через клетки открывает прекрасные возможности для новых открытий о том, как работает природа».

— сказала соавтор доктор Лаура Уэй, работавшая на кафедре биохимии, которая сейчас базируется в Университете Турку, Финляндия. «Тот факт, что мы не знали о существовании этого пути, впечатляет, потому что мы можем использовать его для извлечения большего количества энергии из возобновляемых источников энергии».

Исследователи говорят, что возможность извлекать груз в начале 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 лучше противостоять интенсивному солнечному свету.

«Многие ученые пытались извлечь электроны из более ранней точки фотосинтеза, но они сказали, что это невозможно, потому что энергия скрыта в белковом каркасе», — сказал Чжан. «Тот факт, что мы смогли украсть его в более ранней операции, удивителен. Сначала мы думали, что совершили ошибку: нам потребовалось некоторое время, чтобы убедить себя, что мы это сделали».

Ключом к открытию стало использование сверхбыстрой спектроскопии, которая позволила исследователям проследить поток энергии в живых фотосинтезирующих клетках в фемтосекундном масштабе — одна тысячная триллионной доли секунды.

«Использование этих сверхбыстрых методов позволило нам лучше понять ранние события фотосинтеза, от которых зависит жизнь на Земле», — сказал соавтор профессор Кристофер Хоу с кафедры биохимии.

Ссылка: «Фотосинтез, перепрограммированный в пикосекундной шкале времени», Томми К. Пайки, Лаура Т.И., Джошуа М. Лоуренс, Хайтс Медипали, Эрвин Рейснер, Марк М. Новачик, Ричард Х. Френд, Кристофер Дж. Хоу, Кристоф Шнайдерман, Акшай Рао и Дженни Чжан, 22 марта 2023 г., доступно здесь. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Исследование было частично поддержано Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам (BBSRC) и является частью Британской исследовательской и инновационной организации (UKRI), а также Winton Program for Sustainability Physics в университет. Кембридж, Кембриджское содружество, Европейский и международный фонд и исследовательская и инновационная программа ЕС Horizon 2020. Дженни Чжан является научным сотрудником Дэвида Филлипса на химическом факультете и научным сотрудником Колледжа Корпус-Кристи в Кембридже. Томи Байки — научный сотрудник NanoFutures в Кавендишской лаборатории. Лаура Уэй — научный сотрудник фонда Novo Nordisk, Университет Турку.