Laborchemiker erspähen, warum die photosynthetische Lichtgewinnung so effizient ist
von Anne Trafton z. Hd. MIT News
Boston MA (SPX), 4. Juli 2023
Wenn photosynthetische Zellen Licht von jener Sonne einsaugen, springen Energiepakete, sogenannte Photonen, zwischen einer Warteschlange lichtsammelnder Proteine hin und zurück, solange bis sie dasjenige photosynthetische Reaktionszentrum hinhauen. Dort wandeln Zellen die Leistungsfähigkeit in Elektronen um, die schließlich die Produktion von Zuckermolekülen voranbringen.
Solche Energieübertragung durch den Lichtsammelkomplex erfolgt mit mega hoher Energieeffizienz: Nahezu jedes absorbierte Lichtphoton erzeugt ein Wasserstoffion, ein Phänomen, dasjenige qua Quanteneffizienz nahe Eins vertraut ist.
Eine neue Studie von MIT-Chemikern bietet eine mögliche Erläuterung zu diesem Zweck, wie Proteine des Lichtsammelkomplexes, nicht zuletzt Antenne genannt, sie hohe Energieeffizienz hinhauen. Die Forscher konnten erstmals den Energietransfer zwischen lichtsammelnden Proteinen messen und hiermit feststellen, dass die unorganisierte Qualität dieser Proteine die Energieeffizienz jener Energietransduktion steigert.
„Damit sie Antenne funktioniert, ist eine Energieübertragung oberhalb große Entfernungen erforderlich. Unsrige wichtigste Erkenntnis ist, dass die ungeordnete Organisation jener lichtsammelnden Proteine die Energieeffizienz dieser Energieübertragung oberhalb große Entfernungen erhoben“, sagt Gabriela Schlau-Cohen, eine Wissenschaftlerin außerordentlicher Professor z. Hd. Chemie am MIT und leitender Schreiberling jener neuen Studie.
Die MIT-Postdocs Dihao Wang und Dvir Harris sowie die ehemalige MIT-Doktorandin Olivia Fiebig PhD ’22 sind die Hauptautoren des Artikels, jener sie Woche in den Proceedings of the Patriotisch Academy of Sciences erscheint. Jianshu Cao, Professor z. Hd. Chemie am MIT, ist ebenfalls Schreiberling des Artikels.
Energiegewinnung
Für jedes sie Studie konzentrierte sich dasjenige MIT-Team hinaus Purpurbakterien, die zig-mal in sauerstoffarmen Gewässern vorkommen und zig-mal qua Schema z. Hd. Studien zur photosynthetischen Lichtgewinnung verwendet werden.
Intrinsisch dieser Zellen wandern eingefangene Photonen durch Lichtsammelkomplexe, die aus Proteinen und lichtabsorbierenden Pigmenten wie Chlorophyll gegeben. Mithilfe jener ultraschnellen Spektroskopie, einer Technologie, die extrem kurze Laserpulse verwendet, um Ereignisse zu untersuchen, die hinaus Zeitskalen von Femtosekunden solange bis Nanosekunden vonstatten gehen, konnten Wissenschaftler untersuchen, wie sich Leistungsfähigkeit intrinsisch eines einzelnen dieser Proteine bewegt. Die Untersuchung jener Energieübertragung zwischen diesen Proteinen hat sich jedoch qua weitaus schwieriger erwiesen, da hierfür die kontrollierte Positionierung mehrerer Proteine erforderlich ist.
Um vereinigen Versuchsaufbau zu schaffen, mit dem sie messen konnten, wie sich Leistungsfähigkeit zwischen zwei Proteinen bewegt, entwarf dasjenige MIT-Team synthetische nanoskalige Membranen mit einer Zusammensetzung, die denen natürlich vorkommender Zellmembranen ähnelt. Durch die Leistungsnachweis jener Größe dieser Membranen, sogenannte Nanodiscs, konnten sie den Leerschlag zwischen zwei in den Scheiben eingebetteten Proteinen steuern.
Für jedes sie Studie nach sich ziehen die Forscher zwei Versionen des primären Lichtsammelproteins, dasjenige in Purpurbakterien vorkommt, vertraut qua LH2 und LH3, in ihre Nanoscheiben eingebettet. LH2 ist dasjenige Protein, dasjenige nebst normalen Lichtverhältnissen vorhanden ist, und LH3 ist eine Variante, die normalerweise nur nebst schlechten Lichtverhältnissen exprimiert wird.
Mit dem Kryo-Elektronenmikroskop an jener MIT.nano-Mechanismus konnten die Forscher ihre in jener Schwingkörper eingebetteten Proteine präsentieren und zeigen, dass sie in ähnlichen Abständen positioniert waren wie in jener nativen Schwingkörper. Sie konnten nicht zuletzt die Abstände zwischen den Lichtsammelproteinen messen, die im Sektor von 2,5 solange bis 3 Nanometern lagen.
Ungeordnet ist besser
Da LH2 und LH3 leichtgewichtig unterschiedliche Lichtwellenlängen einsaugen, ist es möglich, mithilfe jener Ultrakurzzeitspektroskopie den Energietransfer zwischen ihnen zu beobachten. Unter intim beieinander liegenden Proteinen fanden die Forscher hervor, dass es etwa 6 Pikosekunden dauert, solange bis ein Energiephoton zwischen ihnen wandert. Unter weiter entfernten Proteinen dauert die Übertragung solange bis zu 15 Pikosekunden.
Eine schnellere Reise führt zu einer effizienteren Energieübertragung, denn je länger die Reise dauert, umso mehr Leistungsfähigkeit geht nebst jener Übertragung verloren.
„Wenn ein Photon absorbiert wird, dauert es nur so tief, solange bis Leistungsfähigkeit durch unerwünschte Prozesse wie strahlungslosen Zerfall verloren geht. Je schneller es folglich umgewandelt werden kann, umso effizienter ist es“, sagt Schlau-Cohen.
Die Forscher fanden außerdem hervor, dass in einer Gitterstruktur angeordnete Proteine eine weniger effiziente Energieübertragung zeigten qua Proteine, die in zufällig organisierten Strukturen angeordnet waren, wie dies normalerweise in lebenden Zellen jener Kernpunkt ist.
„Eine geordnete Organisation ist tatsächlich weniger effizient qua die ungeordnete Organisation jener Lebenslehre, welches wir wirklich interessant finden, weil die Lebenslehre dazu neigt, ungeordnet zu sein. Solche Erkenntnis zeigt uns, dass dies unter Umständen nicht nur ein unvermeidlicher Nachteil jener Lebenslehre ist, sondern dass sich Organismen unter Umständen zu diesem Zweck entwickelt nach sich ziehen.“ „Wir können davon profitieren“, sagt Schlau-Cohen.
Nachdem sie nun die Fähigkeit etabliert nach sich ziehen, den Energietransfer zwischen Proteinen zu messen, planen die Forscher, den Energietransfer zwischen anderen Proteinen zu untersuchen, wie den Transfer zwischen Proteinen jener Antenne zu Proteinen des Reaktionszentrums. Sie planen nicht zuletzt, den Energietransfer zwischen Antennenproteinen zu untersuchen, die in anderen Organismen qua Purpurbakterien, wie etwa grünen Pflanzen, vorkommen.
Die Wissenschaft wurde hauptsächlich vom US-Energieministerium finanziert.
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