Иновативен хак за фотосинтеза проправя път за пробиви в енергията от възобновяеми източници

Изследователите са „хакнали“ ранните етапи на[{“ 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.

Въпреки че фотосинтезата е широко известен и широко изучаван процес, изследователи от университета в Кеймбридж са открили, че тя все още крие скрити тайни. Използвайки ултрабързи спектроскопски техники, те откриха, че извличането на електрони от молекулярните структури, отговорни за фотосинтезата, се случва на по-ранни етапи, отколкото се предполагаше преди. Това „пренастройване“ на фотосинтезата може да доведе до по-добро управление на излишната енергия и разработването на нови, по-ефективни начини за използване на нейния потенциал. Кредит: Мери Айърс

„Не знаехме толкова много за фотосинтезата, колкото си мислехме, и новият път на пренос на електрони, който открихме тук, е доста изненадващ“, каза д-р.

Въпреки че фотосинтезата е естествен процес, учените също така проучват как може да се използва за справяне с климатичната криза, като симулират фотосинтетични процеси за генериране на чисти горива от слънчева светлина и вода, например.

Джан и нейните колеги първоначално се опитваха да разберат защо пръстеновидна молекула, наречена хинон, може да „краде“ електрони от фотосинтезата. Алкеноните са често срещани в природата и те могат лесно да приемат и предават електрони. Изследователите са използвали техника, наречена ултрабърза преходна абсорбционна спектроскопия, за да проучат как се държат хиноните във фотосинтетичните цианобактерии.

Международен екип от учени е изследвал процеса на фотосинтеза в живите клетки в свръхбърза времева скала от една милионна от милионната от секундата. Въпреки задълбочените изследвания, фотосинтезата все още крие неразкрити тайни. Използвайки техники за ултрабърза спектроскопия, екипът откри, че химикалите извличат електрони от молекулярни структури, участващи във фотосинтезата, на много по-ранни етапи, отколкото се смяташе досега. Това „преокабеляване“ може да подобри обработката на излишната мощност от процеса и да генерира нови, ефективни начини за овладяване на нейната мощност. Кредит: Томи Пийк

„Никой не беше проучил правилно как тази молекула взаимодейства с механизмите на фотосинтезата на толкова ранен етап от фотосинтезата: мислехме, че използваме нова техника, за да потвърдим това, което вече знаем“, каза Джан. „Вместо това открихме напълно нов път и отворихме малко черната кутия на фотосинтезата.“

Използвайки ултрабърза спектроскопия за наблюдение на електроните, изследователите установиха, че протеиновото скеле, където се случват първоначалните химични реакции на фотосинтезата, е „пропускливо“, което позволява на електроните да избягат. Това просмукване може да помогне на растенията да се предпазят от увреждане от ярка или бързо променяща се светлина.

„Физиката на фотосинтезата е невероятно впечатляваща“, каза съавторът Томи Байки от Кавендишката лаборатория в Кеймбридж. „Обикновено работим с материали от по-висок порядък, но наблюдението на транспортирането на заряда през клетките отваря прекрасни възможности за нови открития за това как работи природата.“

каза първият съавтор д-р Лаура Уей, която свърши работата в катедрата по биохимия, сега базирана в университета в Турку, Финландия. „Фактът, че не знаехме, че този път съществува, е вълнуващ, защото можем да го използваме, за да извлечем повече енергия от възобновяеми източници.“

Изследователите казват, че възможността за извличане на товари в началото на процеса на фотосинтеза може да направи процеса по-ефективен при манипулиране на фотосинтетичните пътища за генериране на чисто гориво от слънцето. В допълнение, способността за регулиране на фотосинтезата може да означава, че културите могат да бъдат по-способни да издържат на интензивна слънчева светлина.

„Много учени са се опитвали да извлекат електрони от по-ранна точка на фотосинтезата, но казаха, че това не е възможно, защото енергията е заровена в протеиновото скеле“, каза Джан. „Фактът, че можем да го откраднем в по-ранна операция, е невероятен. Първоначално си помислихме, че сме направили грешка: отне ни известно време, за да се убедим, че сме го направили.“

Ключът към откритието беше използването на ултрабърза спектроскопия, която позволи на изследователите да проследят потока на енергия в живите фотосинтезиращи клетки в фемтосекунден мащаб – една хилядна от трилионната от секундата.

„Използването на тези свръхбързи методи ни позволи да разберем повече за ранните събития във фотосинтезата, от които зависи животът на Земята“, каза съавторът професор Кристофър Хоу от катедрата по биохимия.

Справка: „Фотосинтеза, пренасочена на пикосекундна времева скала“ от Томи К. Пайки, Лора Т.Й., Джошуа М. Лорънс, Хайтс Медипали, Ъруин Райзнер, Марк М. Новачик, Ричард Х. Френд, Кристофър Дж. Кристоф Шнайдерман, Акшай Рао и Джени Джан 22 март 2023 г. Наличен тук. природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Изследването беше подкрепено отчасти от Изследователския съвет по инженерни и физически науки (EPSRC), Изследователския съвет по биотехнологии и биологични науки (BBSRC) и е част от Изследователската дейност и иновациите на Обединеното кралство (UKRI), както и от програмата Winton за физика на устойчивостта в Университетът. Кеймбридж, Британска общност на Кеймбридж, Европейски и международен фонд и Програмата за изследвания и иновации на ЕС Хоризонт 2020. Джени Джан е сътрудник на Дейвид Филипс в катедрата по химия и сътрудник на колежа Корпус Кристи, Кеймбридж. Томи Байки е сътрудник на NanoFutures в лабораторията Кавендиш. Лаура Уей е постдокторант във фондация Novo Nordisk, Университет в Турку.