Откриха тайната на невероятната ефективност на фотосинтезата при преобразуването на светлината в енергия

По време на фотосинтезата всеки фотон, събран от така наречените „антенни“ протеини, генерира енергия с невероятно висока ефективност. Учените направиха изненадващото откритие, че привидният безпорядък в подредбата на тези протеини е всъщност тайната на тази способност, известна като „квантова ефективност, близка до единица“.

Фотосинтезата дава възможност на растенията и някои бактерии да преобразуват светлинната енергия в химическа с квантова ефективност, близка до единица. Тази ефективност се постига чрез мрежа от протеинови антени, които улавят фотоните и прехвърлят получената енергия към реакционните центрове на фотосинтезата. Там тази енергия се превръща в електрони, за да се получат молекули глюкоза и кислород.

Докато преносът на енергия на ниво отделни антенни протеини е сравнително добре проучен, не така стоят нещата на междупротеиново ниво. Преносът на енергия на дълги нанометрови разстояния зависи от обмена между тези протеинови комплекси. Но изследването на този обмен е много трудно поради броя на участващите протеини, тяхната хетерогенна организация и припокриващите се спектрални характеристики. В резултат на това липсва разбиране за това как фотосинтезата постига квантова ефективност, близка до единица – счита се, че енергията на фотоните намалява при големи разстояния, както и в реакционните центрове между 25 и 200 нанометра (спрямо антените).

Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) предлагат обяснение на този феномен в ново проучване, публикувано в изданието PNAS. Като първоначално са измерили енергията, пренасяна между протеините на антените, те са установили, че случайното им разположение значително увеличава ефективността на този пренос на енергия.

Габриела Шлау-Коен, доцент по химия в Масачузетския технологичен институт и водещ автор на новото изследване, обяснява:

„За работата на тази антена е необходим пренос на енергия на големи разстояния. Нашето най-важно откритие е, че безпорядъчната организация на светлосъбиращите протеини увеличава ефективността на този пренос на енергия на големи разстояния“.

Безпорядъкът увеличава ефективността на преноса на енергия

В своето проучване Шлау-Коен и неговият екип са се фокусирали върху фотосинтезиращите пурпурни бактерии, които обикновено се използват като модели за изучаване на фотосинтезата. Живеейки в бедна на кислород водна среда, те извършват безкислородна фотосинтеза, използвайки един реакционен център. Тези характеристики ги правят идеални за лабораторни изследвания, да не говорим за много специфичните им спектрални свойства.

При тези бактерии фотоните преминават през мрежа от антени, съставени от протеини и пигменти като хлорофила. Преди това учените са използвали ултрабърза спектроскопия, за да наблюдават как енергията преминава през всеки протеин на антената. Благодарение на свръхбързите лазерни импулси техниката позволява да се наблюдават събития през интервали от време, вариращи от фемтосекунди до наносекунди. Наблюдението на преноса на енергия на междупротеиново ниво обаче е по-трудно, тъй като изисква точно познаване на разположението на всеки комплекс.

За да улеснят наблюдението на преноса на енергия между антенните протеини, изследователите са разработили синтетични мембрани с нанометров размер, подобни по състав на тези в бактериите. Пурпурните бактерии имат два вида антенни протеини в зависимост от средата, в която живеят. При нормални светлинни условия те експресират протеин, наречен LH2 (който поглъща вълни с дължина между 800 и 850 нанометра), докато разновидността, наречена LH3, се експресира повече при условия на слаба светлина. В своето изследване изследователският екип е интегрирал тези две версии на протеина в своите така наречени нанодискове.

Чрез контролиране на размера на мембранните нанодискове е станало възможно точно да се оцени разстоянието между протеините. Използвайки наблюдения с криоелектронен микроскоп, екипът установява, че светлосъбиращите протеини са на разстояние 2,5-3 нанометра един от друг, което е приблизително равно на това при естествените бактериални мембрани.

Изследователите са открили, че при близко разположени протеини енергията се прехвърля от единия към другия за около 6 пикосекунди. От друга страна, времето за пренос се увеличава до 15 пикосекунди между протеини, които са по-отдалечени един от друг. Установено е, че когато времето за пренос на енергия се намали, преносът на енергия е по-ефективен, тъй като се губи по-малко енергия.

„Когато се поглъща фотон, има много малко време, преди енергията да бъде изгубена за нежелани процеси като нерадиационен разпад. Така че колкото по-бързо е преобразуването, толкова по-ефективно е то“, обяснява Шлау-Коен.

При подреждането на протеините във формата на решетка екипът на Масачузетския технологичен институт установява, че преносът на енергия е много по-неефективен. В резултат на това случайното подреждане, наблюдавано при бактериите и повечето растителни клетки, води до постигане на прословутата квантова ефективност, близка до единица. Това откритие предполага, че хетерогенността, която обикновено характеризира живите организми, може да бъде еволюционно предимство.

Като следваща стъпка екипът възнамерява да наблюдава разгръщането на този механизъм за пренос на енергия между протеините на антената и протеините на фотосинтетичния реакционен център. Този феномен ще бъде изследван и при други по-сложни фотосинтезиращи организми, по-специално при растенията.

Това е поредната стъпка в разгадаването на многобройните тайни на фотосинтезата. В публикуваната преди около две седмици научна работа бе доказано, че дори един фотон може да стартира процеса на фотосинтеза. Известно, че Слънцето излъчва няколко десетки фотона на квадратен нанометър в секунда, това проучване показва, че всъщност е необходим само един фотон, за да се стартира фотосинтезата.