Вчені з’ясували, чому критична частина фотосинтезу використовує лише один із двох, здавалося б, ідентичних шляхів, — виявивши приховані енергетичні бар’єри та структурні нюанси, які можуть допомогти створити ефективніші штучні системи.
Фахівці з Індійського інституту науки (IISc) та Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) розкрили причину давньої загадки, пов’язаної з ранніми етапами фотосинтезу — процесу, який дозволяє рослинам, водоростям та деяким бактеріям поглинати сонячне світло, виробляти кисень і зберігати енергію в хімічній формі.
Дослідники з’ясували, чому вирішальний крок у передачі енергії — зокрема рух електронів — відбувається лише через одну сторону білково-пігментного комплексу, який запускає фотосинтез. Їхні висновки були опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Хоча фотосинтез досліджується вже багато років, багато його аспектів залишаються незрозумілими. Процес включає складний ланцюг перенесення електронів між молекулами пігментів, а його швидкість та структурна складність ускладнюють повне розуміння. Крім того, незначні відмінності в тому, як різні організми здійснюють фотосинтез, додають ще більше складності. Глибше розуміння цих механізмів може сприяти розвитку передових технологій, таких як штучне листя та паливні елементи, що імітують природну здатність перетворювати світло на енергію.
Фотосистема II: стартова платформа фотосинтезу
У більшості фотосинтезуючих організмів білково-пігментний комплекс під назвою фотосистема II (PSII) відіграє ключову роль: він поглинає сонячне світло та розщеплює молекули води, утворюючи кисень і електрони, які потім передаються іншим білкам.
PSII має два симетричні “плечі” — D1 та D2 — навколо яких розміщено чотири молекули хлорофілу та два феофітини (пігменти, споріднені з хлорофілом). Ці структури також пов’язані з електрон-акцепторними молекулами — пластохінонами. У типовому ланцюгу електрон спочатку передається від хлорофілу до феофітину, а потім — до пластохінону.
Але, як показали дослідження, електрони чомусь передаються лише через гілку D1. Це питання десятиліттями залишалося загадкою.
Енергетичний ландшафт: чому D2 «мовчить»
У новому дослідженні команда науковців застосувала поєднання моделювання молекулярної динаміки, квантово-механічних розрахунків та теорії Маркуса (відзначеної Нобелівською премією), щоб змоделювати енергетичні профілі обох гілок.
Виявилось, що енергетичний бар’єр у гілці D2 значно вищий, ніж у D1 — а саме, перенесення електронів з феофітину на пластохінон у D2 потребує вдвічі більше енергії. Через це електрони просто “не йдуть” цим шляхом. Додатково, симуляції показали, що опір у D2 на два порядки вищий, ніж у D1, що ще більше знижує ймовірність ефективного переносу енергії.
Можливості майбутнього: штучне фотосинтетичне листя
Вчені припускають, що ця асиметрія в роботі системи може бути зумовлена тонкими відмінностями в білковому середовищі навколо гілок. Наприклад, хлорофіл у D1 має нижчу енергію збудження, ніж у D2, що робить його більш ефективним у “захопленні” електронів.
Це відкриває шлях до інженерних змін: заміна пігментів у D2 або перебудова білкового середовища можуть усунути «електронну пробку» та дозволити створити більш ефективні штучні фотосинтетичні системи.
«Наше дослідження — важливий крок до розуміння природного фотосинтезу», — говорить Прабал К. Майті, професор кафедри фізики й один з авторів дослідження. — «Ці знання можуть допомогти створити інноваційні рішення для сталого виробництва енергії».
Професор Білл Годдард із Caltech додає:
«Це блискуче поєднання фізики, хімії та обчислювальних методів, яке дозволяє розкрити механізм, що десятиліттями залишався таємницею. І хоча відповідь знайдено — на нас чекають нові запитання».