In een baanbrekende ontwikkeling hebben onderzoekers met succes de eerste stadia van fotosynthese “gehackt” – het natuurlijke proces dat het grootste deel van het leven op aarde voedt. Door nieuwe technieken te onthullen voor het extraheren van energie uit dit proces, kunnen de bevindingen de weg vrijmaken voor schone brandstofopwekking en hernieuwbare energieoplossingen in de toekomst. Krediet: Robin Horton
Onderzoekers hebben de vroege stadia van[{” 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.
“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang
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.
Hoewel fotosynthese een algemeen bekend en uitgebreid bestudeerd proces is, hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge ontdekt dat het nog steeds verborgen geheimen bevat. Door ultrasnelle spectroscopietechnieken te gebruiken, ontdekten ze dat elektronenextractie uit de moleculaire structuren die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese in eerdere stadia plaatsvindt dan eerder werd aangenomen. Deze “herbedrading” van fotosynthese zou kunnen leiden tot een beter beheer van overtollige energie en de ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere manieren om het potentieel ervan te benutten. Krediet: Mary Ayers
“We wisten niet zoveel over fotosynthese als we dachten, en de nieuwe elektronenoverdrachtsroute die we hier hebben gevonden, is behoorlijk verrassend”, zei Dr.
Hoewel fotosynthese een natuurlijk proces is, hebben wetenschappers ook onderzocht hoe het kan worden gebruikt om de klimaatcrisis aan te pakken, bijvoorbeeld door fotosyntheseprocessen te simuleren om schone brandstoffen te genereren uit zonlicht en water.
Zhang en haar collega’s probeerden oorspronkelijk te begrijpen waarom een ringvormig molecuul, chinon genaamd, elektronen kon “stelen” van fotosynthese. Alkenonen komen veel voor in de natuur en ze kunnen gemakkelijk elektronen accepteren en afstaan. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd ultrasnelle voorbijgaande absorptiespectroscopie om te bestuderen hoe chinonen zich gedragen in fotosynthetische cyanobacteriën.
Een internationaal team van wetenschappers heeft het proces van fotosynthese in levende cellen bestudeerd op een ultrasnelle tijdschaal van een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Ondanks uitgebreid onderzoek heeft fotosynthese nog steeds onontdekte geheimen. Met behulp van ultrasnelle spectroscopietechnieken ontdekte het team dat chemicaliën elektronen onttrekken aan moleculaire structuren die betrokken zijn bij fotosynthese in veel eerdere stadia dan eerder werd gedacht. Deze “herbedrading” kan de verwerking van overtollig vermogen door het proces verbeteren en nieuwe, efficiënte manieren genereren om zijn vermogen te benutten. Krediet: Tommy Peake
“Niemand had goed bestudeerd hoe dit molecuul interageert met de mechanismen van fotosynthese in zo’n vroeg stadium van fotosynthese: we dachten dat we een nieuwe techniek gebruikten om te bevestigen wat we al wisten,” zei Zhang. “In plaats daarvan hebben we een compleet nieuw pad gevonden en hebben we de zwarte doos van fotosynthese een beetje geopend.”
Met behulp van ultrasnelle spectroscopie om de elektronen te volgen, ontdekten de onderzoekers dat het eiwitsteiger waar de eerste chemische reacties van fotosynthese plaatsvinden “lek” is, waardoor elektronen kunnen ontsnappen. Deze kwel kan planten helpen zichzelf te beschermen tegen schade door fel of snel veranderend licht.
“De fysica van fotosynthese is ongelooflijk indrukwekkend”, zegt co-eerste auteur Tomi Baikie van het Cavendish Laboratory in Cambridge. “Normaal gesproken werken we met materialen van hogere orde, maar het observeren van ladingstransport door cellen biedt prachtige mogelijkheden voor nieuwe ontdekkingen over hoe de natuur werkt.”
zei co-eerste auteur Dr. Laura Way, die het werk deed bij de afdeling Biochemie, nu gevestigd aan de Universiteit van Turku, Finland. “Het feit dat we niet wisten dat dit pad bestond, is opwindend, omdat we het kunnen gebruiken om meer energie uit hernieuwbare bronnen te halen.”
Door vroeg in het fotosyntheseproces lading te kunnen onttrekken, zouden de onderzoekers het proces efficiënter kunnen maken bij het manipuleren van fotosyntheseroutes om schone brandstof uit de zon te genereren. Bovendien kan het vermogen om de fotosynthese te reguleren betekenen dat gewassen beter bestand zijn tegen intens zonlicht.
“Veel wetenschappers hebben geprobeerd elektronen uit een eerder punt in de fotosynthese te halen, maar ze zeiden dat het niet mogelijk is omdat de energie begraven ligt in het eiwitsteiger”, zei Zhang. “Het feit dat we het in een eerdere operatie konden stelen, is verbazingwekkend. Eerst dachten we dat we een fout hadden gemaakt: het duurde even voordat we onszelf ervan overtuigd hadden dat we het hadden gedaan.”
De sleutel tot de ontdekking was het gebruik van ultrasnelle spectroscopie, waarmee de onderzoekers de stroom van energie in levende fotosynthetische cellen konden volgen op een femtosecondeschaal – een duizendste van een biljoenste van een seconde.
“Het gebruik van deze ultrasnelle methoden heeft ons in staat gesteld meer te begrijpen over de vroege gebeurtenissen in fotosynthese, waarvan het leven op aarde afhangt”, zegt co-auteur professor Christopher Howe, van de afdeling Biochemie.
Referentie: “Photosynthesis Rewired on a Picosecond Time Scale” door 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 en Jenny Zhang, 22 maart 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9
Het onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) en maakt deel uit van UK Research and Innovation (UKRI), evenals het Winton Program for Sustainability Physics at de Universiteit. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, Europees en Internationaal Fonds, en het EU-onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020. Jenny Zhang is de David Phillips Fellow bij de afdeling Scheikunde en een Fellow van Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie is een NanoFutures Fellow bij het Cavendish Laboratory. Laura Way is een postdoctoraal onderzoeker bij de Novo Nordisk Foundation, Universiteit van Turku.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”