Chemici ontdekken waarom het oogsten van licht zo effectief is voor fotosynthese

Wanneer fotosynthetische cellen licht van de zon absorberen, springen energiepakketten, fotonen genaamd, tussen een reeks lichtverzamelende eiwitten totdat ze het centrum van de fotosynthesereactie bereiken. Daar zetten cellen energie om in elektronen, die uiteindelijk suikermoleculen aandrijven.

Deze overdracht van energie door het lichtoogstcomplex vindt plaats met een extreem hoge efficiëntie: bijna elk geabsorbeerd foton genereert een elektron, een fenomeen dat bekend staat als kwantumefficiëntie van bijna één eenheid.

Een nieuwe studie van scheikundigen aan het MIT biedt een mogelijke verklaring voor hoe de eiwitten van het lichtoogstende complex, ook wel de antenne genoemd, zo’n hoog rendement bereiken. Voor het eerst konden de onderzoekers de energieoverdracht tussen de lichtverzamelende eiwitten meten, waardoor ze konden ontdekken dat de ongeordende opstelling van deze eiwitten de efficiëntie van energieoverdracht verbetert.

“Om deze antenne te laten werken, moet je energie over lange afstanden verzenden. Onze belangrijkste bevinding is dat de verstoorde regulatie van lichtoogstende eiwitten de efficiëntie van energietransmissie over lange afstanden verbetert”, zegt Gabriella Schlau-Cohen, universitair hoofddocent scheikunde. bij MIT en senior auteur van de nieuwe studie.

MIT-postdoctorale wetenschappers Dehau Wang en Dvir Harris en voormalig MIT-afgestudeerde student Olivia Febig Ph.D. Zij zijn de hoofdauteurs van het artikel gepubliceerd in Procedures van de National Academy of Sciences. Jianshu Cao, MIT-professor scheikunde, is ook de auteur van het artikel.

Energie vastleggen

In deze studie concentreerde het MIT-team zich op paarse bacteriën, die vaak worden aangetroffen in zuurstofarme waterige omgevingen en vaak worden gebruikt als model voor studies naar fotosynthetische lichtoogst.

Binnen deze cellen reizen gevangen fotonen door lichtoogstende complexen die bestaan ​​uit lichtabsorberende eiwitten en pigmenten zoals chlorofyl. Met behulp van ultrasnelle spectroscopie, een techniek die extreem korte laserpulsen gebruikt om gebeurtenissen te bestuderen die plaatsvinden op tijdschalen variërend van femtoseconden tot nanoseconden, konden de wetenschappers bestuderen hoe energie beweegt binnen een van deze eiwitten. Het is echter een grotere uitdaging gebleken om te bestuderen hoe energie wordt overgedragen tussen deze eiwitten, omdat meerdere eiwitten op een gecontroleerde manier moeten worden gepositioneerd.

Om een ​​experimentele opstelling te creëren waarin ze konden meten hoe energie wordt overgedragen tussen twee eiwitten, ontwierp het MIT-team nanosynthetische membranen met een samenstelling die vergelijkbaar is met die van natuurlijk voorkomende celmembranen. Door de grootte van deze membranen, ook wel nanodiscs genoemd, te regelen, konden ze de afstand tussen twee eiwitten die in de schijven waren ingebed, regelen.

In deze studie combineerden de onderzoekers twee kopieën van het primaire lichtverzamelende eiwit dat wordt aangetroffen in paarse bacteriën, bekend als LH2 en LH3, in nanodiscs. LH2 is het eiwit dat aanwezig is tijdens normale lichtomstandigheden en LH3 is een variant die normaal alleen tot expressie komt bij weinig licht.

Met behulp van cryogene elektronenmicroscopie in de MIT.nano-faciliteit konden de onderzoekers de eiwitten die in het membraan waren ingebed in beeld brengen en laten zien dat ze zich op vergelijkbare afstanden bevonden als die in het oorspronkelijke membraan. Ze waren ook in staat om de afstanden tussen de licht-oogstende eiwitten te meten, die op een schaal van 2,5 tot 3 nanometer waren.

Verontrust is beter

Omdat LH2 en LH3 iets verschillende golflengten van licht absorberen, is het mogelijk om ultrasnelle spectroscopie te gebruiken om de energieoverdracht daartussen te volgen. Voor eiwitten die zo dicht bij elkaar staan, ontdekten de onderzoekers dat het ongeveer 6 picoseconden duurt voordat een foton energie ertussen reist. Voor eiwitten op afstand duurt het transport tot 15 picoseconden.

Sneller reizen vertaalt zich in een efficiëntere overdracht van energie, want hoe langer de vlucht, hoe groter het energieverlies tijdens de overdracht.

“Wanneer een foton wordt geabsorbeerd, heb je maar zo lang voordat die energie verloren gaat door ongewenste processen zoals niet-stralingsverval, dus hoe sneller het wordt omgezet, hoe effectiever het is”, zegt Shlau Cohen.

De onderzoekers ontdekten ook dat eiwitten die in een roosterstructuur waren gerangschikt, minder efficiënte energieoverdracht vertoonden dan eiwitten die in willekeurig georganiseerde structuren waren gerangschikt, zoals meestal het geval is in levende cellen.

“Georganiseerde regulering is in feite minder efficiënt dan de ongeordende regulering van de biologie, waarvan we denken dat die echt interessant is omdat de biologie de neiging heeft om ongeordend te zijn. Deze bevinding vertelt ons dat dit misschien niet alleen een onvermijdelijke keerzijde van de biologie is, maar dat organismen zijn geëvolueerd om “, zegt Schlau Cohen. .

Nu ze het vermogen hebben aangetoond om energieoverdracht tussen eiwitten te meten, zijn de onderzoekers van plan energieoverdracht tussen andere eiwitten te onderzoeken, zoals de overdracht tussen antenne-eiwitten naar reactiecentrum-eiwitten. Ze zijn ook van plan de energieoverdracht tussen antenne-eiwitten te bestuderen die worden aangetroffen in andere organismen dan paarse bacteriën, zoals groene planten.