Wissenschaftler haben zufällig entdeckt, dass einer der am besten untersuchten chemischen Prozesse der Natur, die Photosynthese, möglicherweise nicht ganz so gut funktioniert, wie wir dachten.
Photosynthese Es ist der Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und einige Bakterien Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Zucker umwandeln, um sie als Energie zu nutzen. Dazu nutzen Organismen Sonnenlicht, um Wasser zu oxidieren oder ihm Elektronen zu entziehen; Und Kohlendioxidmoleküle reduzieren oder ihnen Elektronen geben. Diese chemischen Reaktionen erfordern Photosysteme – Proteinkomplexe, die Chlorophyll enthalten, das lichtabsorbierende Pigment, das Pflanzenblättern und Algen ihre grüne Farbe verleiht – um Elektronen zwischen verschiedenen Molekülen zu übertragen.
In der neuen Studie, die am 22. März in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur (Öffnet in einem neuen Tab)verwendeten die Forscher eine neue Technik, die als ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie bekannt ist, um erstmals zu untersuchen, wie die Photosynthese auf einer Zeitskala von einer Billiardstel Sekunde (0,000000000000001 Sekunden) funktioniert. Das Team versuchte zunächst herauszufinden, wie Chinone – ringförmige Moleküle, die bei chemischen Prozessen Elektronen stehlen können – die Photosynthese beeinflussen. Stattdessen fanden die Forscher heraus, dass Elektronen während der Photosynthese viel früher aus Photosystemen freigesetzt werden können, als Wissenschaftler bisher für möglich gehalten hatten.
„Wir dachten, wir verwenden eine neue Technologie, um zu bestätigen, was wir bereits wissen“, sagt ein Co-Autor der Studie Jenny Chang (Öffnet in einem neuen Tab)ein auf Photosynthese spezialisierter Biochemiker an der Universität Cambridge in England, sagte in A Stellungnahme (Öffnet in einem neuen Tab). „Stattdessen haben wir einen völlig neuen Weg gefunden und die Blackbox der Photosynthese ein wenig geöffnet.“
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Während der Photosynthese werden zwei Photosysteme verwendet: Photosystem I (PSI) und Photosystem II (PSII). Das PSII liefert dem PSI Elektronen hauptsächlich, indem es sie aus Wassermolekülen entnimmt: Das PSI regt dann die Elektronen an, bevor es sie freisetzt, um sie schließlich durch eine Reihe komplexer Schritte an Kohlendioxid abzugeben, um Zucker zu bilden.
Frühere Untersuchungen zeigten, dass die Proteingerüste in PSI und PSII sehr dick waren, was dazu beitrug, die Elektronen in ihnen einzuschließen, bevor sie an den gewünschten Ort transportiert werden konnten. Aber die ultraschnelle Spektroskopie-Technik zeigte, dass die Proteingerüste „leckerer“ waren als erwartet und dass einige Elektronen aus Photosystemen fast sofort entkommen können, nachdem Licht von Chlorophyll innerhalb der Photosysteme absorbiert wurde. Dadurch können diese Elektronen ihr Ziel schneller als erwartet erreichen.
„Der neue Elektronentransportweg, den wir hier gefunden haben, ist ziemlich überraschend“, sagte Zhang. „Wir wussten nicht so viel über Photosynthese, wie wir dachten.“
Elektronenleckage wurde sowohl in isolierten Photosystemen als auch in „lebenden“ Photosystemen innerhalb von Cyanobakterien beobachtet.
Diese Entdeckung schreibt nicht nur neu, was wir über die Photosynthese wissen, sondern eröffnet auch neue Wege für zukünftige Forschungs- und biotechnologische Anwendungen. Das Team glaubt, dass durch das „Hacken“ der Photosynthese, um mehr dieser Elektronen in früheren Stadien freizusetzen, der Prozess effizienter werden könnte, was dazu beitragen könnte, Pflanzen zu produzieren, die widerstandsfähiger gegen Sonnenlicht sind, oder er könnte künstlich repliziert werden, um erneuerbare Energiequellen zu schaffen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels Klima laut Aussage. Bevor dies geschehen kann, ist jedoch weitere Forschung erforderlich.
„Viele Wissenschaftler haben versucht, Elektronen von einem früheren Punkt in der Photosynthese zu extrahieren, aber sie sagten, dass dies nicht möglich sei, weil die Energie im Proteingerüst vergraben ist“, sagte Zhang. Die Tatsache, dass wir es können [potentially] Es in einer früheren Operation zu stehlen, ist erstaunlich.“
