Odhalování tajemství fotosyntézy

Úplné pochopení a napodobení procesu fotosyntézy, který umožňuje rostlinám, řasám a dalším organizmům získávat energii ze slunečního záření, by mohlo lidstvu otevřít cestu k novému zdroji energie či přinejmenším vylepšit současné technologie. Američtí vědci přišli s objevem, který vysvětluje záhadu, nad kterou si vědci lámali hlavy více než 3 desetiletí.

V organismech využívajících fotosyntézu tento proces začíná absorpcí fotonu z dopadajícího světla. Důležitou roli v tom hrají pigmenty nacházející se v buňkách - zejména chlorofyl. Chlorofyl s bílkovinami a dalšími pigmenty tvoří základ tzv. fotosystémů. Pigment-proteinové komplexy zvané reakční centra (RC) jsou vlastně účinné fotovoltaické články přeměňující energii slunečního světla na oddělení nábojů, potřebné pro pohon životních procesů. Díky absorbovanému fotonu elektron v pigmentu přeskočí do vyššího energetického stavu, a molekula se tak dostane do excitovaného stavu. Foton tak způsobí přechod elektronu přes membránu umístěnou uvnitř specializovaných oddílů v buňce. „Oddělení náboje přes membránu - a jeho stabilizace - je zásadní, protože vytváří energii, která podporuje růst buněk,“ uvedla biochemička Argonne Deborah Hanson. „Abychom pochopili, jak fotosyntéza funguje, musíme porozumět přenosu elektronů. Pohyb elektronů je zásadní: je to způsob, jakým se uvnitř buňky vykonává práce,“ říká Philip Laible, biofyzik z laboratoře Argonne.

Elektron si vybírá vždy stejnou cestu

Před více než 30 lety, kdy byla odhalena první struktura těchto komplexních pochodů, byli vědci překvapeni faktem, že po zachycení fotonu se uvolněný elektron mohl vydat dvěma směry. V případě rostlin, řas a bakterií využívajících proces fotosyntézy se však elektron vždy vydává stejnou cestou, což vědci nedokázali vysvětlit. Věděli, že přesun elektronu přes membránu - účinně odebírající energii fotonu - vyžaduje více kroků. Nyní se vědcům z Washingtonské univerzity a z Národní laboratoře Argonne, spadající pod americké ministerstvo energetiky, podařilo ovlivnit jednotlivé kroky celého procesu a změnit trajektorii elektronů. „Snažili jsme se o to více než tři desetiletí. Je to velký úspěch, který otevírá mnoho příležitostí,“ řekl Dewey Holten, chemik na Washingtonské univerzitě.

Už víme, jak ho přimět cestu změnit

Nedávný odborný článek s názvem „Switching sides—Reengineered primary charge separation in the bacterial photosynthetic reaction center“ publikovaný ve Sborníku Národní akademie věd USA, popisuje, jak vědci objevili upravovatelnou verzi proteinového komplexu, který přepíná cestu elektronu - umožňuje aktivaci jedné a deaktivaci druhé. „Je pozoruhodné, že se nám podařilo změnit směr počátečního přenosu elektronů,“ řekla Christine Kirmaier, chemik z Washingtonské univerzity a vedoucí projektu. „V přírodě si elektron vybírá jednu cestu ve 100 % případů. Ale díky našemu úsilí se nám podařilo v 90 % případů přepnout elektron na alternativní cestu. Tyto objevy přinášejí vzrušující otázky pro budoucí výzkum.“

Vědci jsou nyní blíže než kdy předtím k možnosti navrhovat systémy pro přenos elektronů, ve kterých mohou poslat elektron na cestu podle svého výběru. „Je to důležité, protože získáváme schopnost využít tok energie v biologických systémech k pochopení principů, které povedou k novým aplikacím v abiotických systémech. To by nám umožnilo výrazně zvýšit účinnost mnoha solárních zařízení a případně je značně zmenšit. Máme zde obrovskou příležitost otevřít zcela nové obory světlem poháněných biochemických reakcí, které si nepředstavovala ani příroda. Pokud to dokážeme, bude to obrovské,“ dodává Philip Laible.

Zdroje: https://www.anl.gov/article/argonne-and-washington-university-scientists-unravel-mystery-of-photosynthesis

https://www.pnas.org/content/117/2/865