Водоросли и фотосинтезирующие бактерии делают то же самое еще дольше, причем с поразительной эффективностью и устойчивостью.
Поэтому неудивительно, что ученые давно пытались понять, как именно они это делают, надеясь использовать эти знания для улучшения созданных человеком устройств, таких как солнечные панели и датчики.
Ученые из U.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) в тесном сотрудничестве с сотрудниками Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи недавно решил важную часть этой давней загадки, сосредоточившись на начальных сверхбыстрых событиях, посредством которых фотосинтетические белки улавливают свет и используют его для инициирования серии реакций переноса электронов.
«Чтобы понять, как биология питает всю свою укоренившуюся деятельность, вы должны понять перенос электронов», – сказал аргоннский биофизик Филип Лайбле. "Движение электронов имеет решающее значение: так происходит работа внутри клетки."
У фотосинтезирующих организмов эти процессы начинаются с поглощения фотона света пигментами, локализованными в белках.
Каждый фотон перемещает электрон через мембрану, расположенную внутри специализированных отсеков внутри клетки.
«Разделение заряда через мембрану – и его стабилизация – имеет решающее значение, поскольку генерирует энергию, которая питает рост клеток», – сказала аргоннский биохимик Дебора Хэнсон.
Исследовательская группа Аргоннского и Вашингтонского университетов получила ценную информацию о начальных этапах этого процесса: путешествии электрона.
Около 35 лет назад, когда была открыта первая структура комплексов такого типа, ученые с удивлением обнаружили, что после поглощения света процессы переноса электрона столкнулись с дилеммой: существует два возможных пути движения электрона.
В природе растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии используют только один из них – и ученые понятия не имели, почему.
Что они действительно знали, так это то, что движение электрона через мембрану – эффективное использование энергии фотона – требует нескольких шагов.
Ученые Аргоннского и Вашингтонского университетов сумели помешать каждому из них изменить траекторию движения электрона.
«Мы идем по этому пути более трех десятилетий, и это большое достижение, открывающее множество возможностей», – сказал Дьюи Холтен, химик из Вашингтонского университета.
Недавняя статья ученых «Переключение сторон – реинжиниринг разделения первичных зарядов в бактериальном фотосинтетическом реакционном центре», опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, как они обнаружили модифицированную версию этого белкового комплекса, которая изменила использование пути, включая один, который был неактивен, при отключении другого.
«Примечательно, что нам удалось изменить направление первоначального переноса электронов», – сказала Кристин Кирмайер, химик Вашингтонского университета и руководитель проекта. "В природе электрон выбирает один путь в 100% случаев. Но благодаря нашим усилиям мы смогли заставить электрон переключаться на альтернативный путь в 90% случаев. Эти открытия ставят захватывающие вопросы для будущих исследований."
В результате своих усилий ученые теперь ближе, чем когда-либо, к возможности разработать системы переноса электронов, в которых они могут отправлять электрон по пути по своему выбору.
«Это важно, потому что мы получаем возможность использовать поток энергии для понимания принципов проектирования, которые приведут к новым приложениям абиотических систем», – сказал Лайбле. "Это позволит нам значительно повысить эффективность многих устройств на солнечной энергии, потенциально сделав их намного меньше.
Здесь у нас есть потрясающая возможность открыть совершенно новые дисциплины биохимических реакций, управляемых светом, которые не были предусмотрены природой. Если мы сможем это сделать, это огромно."