Yenilikçi fotosentez hilesi, yenilenebilir enerji atılımlarının yolunu açıyor

Araştırmacılar erken aşamalarını “hackledi”[{” 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.

Fotosentez yaygın olarak bilinen ve kapsamlı bir şekilde incelenen bir süreç olmasına rağmen, Cambridge Üniversitesi araştırmacıları fotosentezin hâlâ gizli sırlar barındırdığını keşfettiler. Ultra hızlı spektroskopi tekniklerini kullanarak, fotosentezden sorumlu moleküler yapılardan elektron ekstraksiyonunun daha önce varsayılandan daha erken aşamalarda gerçekleştiğini buldular. Fotosentezin bu “yeniden bağlanması”, fazla enerjinin daha iyi yönetilmesine ve potansiyelinden yararlanmanın yeni, daha verimli yollarının geliştirilmesine yol açabilir. Kredi bilgileri: Mary Ayers

“Fotosentez hakkında düşündüğümüz kadar bilgimiz yoktu ve burada bulduğumuz yeni elektron transfer yolu oldukça şaşırtıcı” dedi Dr.

Fotosentez doğal bir süreç olsa da bilim insanları, örneğin güneş ışığından ve sudan temiz yakıtlar üretmek için fotosentetik süreçleri simüle ederek, bunun iklim kriziyle mücadeleye yardımcı olmak için nasıl kullanılabileceğini de araştırıyorlar.

Zhang ve meslektaşları başlangıçta kinon adı verilen halka şeklindeki bir molekülün neden fotosentezden elektronları “çaldığını” anlamaya çalışıyorlardı. Alkenonlar doğada yaygın olarak bulunurlar ve elektronları kolaylıkla kabul edip verebilirler. Araştırmacılar, fotosentetik siyanobakterilerde kinonların nasıl davrandığını incelemek için ultra hızlı geçici absorpsiyon spektroskopisi adı verilen bir teknik kullandılar.

Uluslararası bir bilim adamları ekibi, canlı hücrelerdeki fotosentez sürecini, saniyenin milyonda birinin milyonda biri gibi ultra hızlı bir zaman ölçeğinde inceledi. Kapsamlı araştırmalara rağmen, fotosentez hala keşfedilmemiş sırlar barındırmaktadır. Ekip, ultra hızlı spektroskopi tekniklerini kullanarak, kimyasalların daha önce düşünülenden çok daha erken aşamalarda fotosentezde yer alan moleküler yapılardan elektronları çıkardığını keşfetti. Bu “yeniden kablolama”, işlemin fazla gücü idare etmesini geliştirebilir ve gücünü kullanmak için yeni, verimli yollar üretebilir. 1 kredi

Zhang, “Fotosentezin bu kadar erken bir aşamasında bu molekülün fotosentez mekanizmalarıyla nasıl etkileşime girdiğini kimse düzgün bir şekilde incelememişti: zaten bildiklerimizi doğrulamak için yeni bir teknik kullandığımızı düşündük” dedi. “Bunun yerine, tamamen yeni bir yol bulduk ve fotosentezin kara kutusunu biraz açtık.”

Elektronları izlemek için ultra hızlı spektroskopi kullanan araştırmacılar, fotosentezin ilk kimyasal reaksiyonlarının meydana geldiği protein yapı iskelesinin “sızdıran” olduğunu ve elektronların kaçmasına izin verdiğini buldular. Bu sızıntı, bitkilerin kendilerini parlak veya hızla değişen ışıktan korumalarına yardımcı olabilir.

Cambridge’deki Cavendish Laboratuvarı’ndan eş-ilk yazar Tomi Baikie, “Fotosentez fiziği inanılmaz derecede etkileyici,” dedi. “Normalde, daha yüksek dereceli malzemelerle çalışıyoruz, ancak hücreler aracılığıyla yük aktarımını gözlemlemek, doğanın nasıl çalıştığına dair yeni keşifler için harika fırsatlar sunuyor.”

Şu anda Finlandiya’daki Turku Üniversitesi’nde bulunan Biyokimya Bölümü’nde çalışmayı yapan eş-ilk yazar Dr. “Bu yolun var olduğunu bilmiyor olmamız heyecan verici, çünkü onu yenilenebilir kaynaklardan daha fazla enerji elde etmek için kullanabiliriz.”

Araştırmacılar, kargoyu fotosentez sürecinde erkenden çıkarabilmenin, güneşten temiz yakıt üretmek için fotosentetik yolları manipüle ederken süreci daha verimli hale getirebileceğini söylüyor. Ek olarak, fotosentezi düzenleme yeteneği, mahsullerin yoğun güneş ışığına daha iyi dayanabileceği anlamına gelebilir.

Zhang, “Pek çok bilim insanı, fotosentezde daha önceki bir noktadan elektronları çıkarmaya çalıştı, ancak bunun mümkün olmadığını çünkü enerjinin protein yapı iskelesinde gömülü olduğunu söylediler.” Dedi. “Daha önceki bir operasyonda çalabilmemiz inanılmaz. İlk başta bir hata yaptığımızı düşündük: Bunu yaptığımıza kendimizi inandırmamız biraz zaman aldı.”

Keşfin anahtarı, araştırmacıların canlı fotosentetik hücrelerdeki enerji akışını femtosaniye ölçeğinde (saniyenin trilyonda birinin binde biri) takip etmesine izin veren ultra hızlı spektroskopinin kullanılmasıydı.

Biyokimya Bölümü’nden ortak yazar Profesör Christopher Howe, “Bu ultra hızlı yöntemleri kullanmak, Dünya’daki yaşamın bağlı olduğu fotosentezdeki erken olaylar hakkında daha fazla bilgi edinmemizi sağladı.” Dedi.

Referans: “Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale”, yazan 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 ve Jenny Zhang, 22 Mart 2023, Buradan ulaşabilirsiniz. doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Araştırma, kısmen Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC), Biyoteknoloji ve Biyolojik Bilimler Araştırma Konseyi (BBSRC) tarafından desteklenmiştir ve İngiltere Araştırma ve Yenilikçiliğin (UKRI) yanı sıra Winton Sürdürülebilirlik Fiziği Programı’nın bir parçasıdır. üniversite. Cambridge, Cambridge Topluluğu, Avrupa ve Uluslararası Fon ve EU Horizon 2020 Araştırma ve İnovasyon Programı Jenny Zhang, Kimya Bölümünde David Phillips Üyesi ve Cambridge Corpus Christi College Üyesidir. Tomi Baikie, Cavendish Laboratuvarı’nda NanoFutures Üyesidir. Laura Way, Turku Üniversitesi Novo Nordisk Vakfı’nda Doktora Sonrası Araştırmacıdır.