Используя сверхбыструю спектроскопию, исследователи нашли способ извлечь электроны из клеточного белкового каркаса на начальных стадиях процесса переноса электронов по электрон-транспортной цепи, крайне важного при фотосинтезе. Результаты исследования открывают возможности для новых и более эффективных способов управления фотосинтезом, которые могут быть связаны, например, с экологически чистой энергией. Работа опубликована в журнале Nature.
В поддержании жизни на Земле решающую роль играет фотосинтез. Он включает в себя сложный набор биохимических реакций, протекающих в хлоропластах растительных клеток и фотосинтетических мембранах некоторых бактерий. Ключевым процессом фотосинтеза является перенос электронов по электрон-транспортной цепи фотосинтеза (ЭТЦ), благодаря чему становится возможным автономное преобразование солнечной энергии в химическую. ЭТЦ состоит из двух функциональных комплексов: фотосистемы II (ФСII) и фотосистемы I (ФСI). Перенос электронов начинается с того, что в ФСII через цепь окислительно-восстановительных реакций происходит окисление воды, а заканчивается восстановлением НАДФ+ в ФСI с образованием донора электронов НАДФН для последующих реакций восстановления углерода. Иными словами, вначале ФСII собирает электроны, а потом они преобразуются в энергию в ФСI. При этом эффективность обоих процессов очень высока — 80% и 100% соответственно. Такая впечатляющая производительность двух фотосистем долгое время интересует ученых, которые проводят множество исследований с целью «перестройки» фотосинтеза. Ученые пытаются понять, как можно скорректировать фотосинтез, чтобы эффективно использовать его в жизни человека.
Чтобы «проникнуть» в фотосинтез изнутри и изменить его «программу», ученые обычно пытаются извлечь заряд из пластохинонов, собирающих электроны в ФСII. Наибольший термодинамический выигрыш дает извлечение электронов прямо из реакционных центров, скрытых на несколько нанометров в фотосистемах. До сегодняшнего дня это считалось невыполнимой задачей. Однако группа химиков, физиков и биологов под руководством исследователей из Кембриджского университета смогла изучить процесс фотосинтеза в сверхбыстром временном масштабе — миллионной доле секунды. С помощью абсорбционной спектроскопии они рассмотрели суспензию цианобактерий Synechocystis sp. — распространенного организма для изучения процесса фотосинтеза. Ученые добавили в систему электронный медиатор 2,6-дихлор-1,4-бензохинон (DCBQ). Это хинон с электроноакцепторными заместителями (хлором), который эффективно «собирает» электроны.
Группа обнаружила, что потенциала такого хинона достаточно, чтобы «вырвать» электроны из белкового каркаса фотосистем на ранних этапах фотовозбуждения реакционных центров (несколько пикосекунд — 10-12 секунды). До этого исследования ученые считали, что сделать это можно только на поздних стадиях ЭТЦ с меньшей эффективностью.
«Мы знали о фотосинтезе не так много, как думали, и новый путь переноса электронов, который мы обнаружили сейчас, очень нас удивил. Многие ученые пытались извлечь электроны на более ранней стадии фотосинтеза, но все утверждали, что это невозможно, потому что они надежно спрятаны в белковом каркасе. Тот факт, что мы можем как бы украсть их на более ранней стадии процесса, просто поразителен. Сначала мы думали, что ошиблись: нам потребовалось некоторое время, чтобы убедить себя, что мы на самом деле это сделали», — рассказала Дженни Чжан из Кембриджского университета.
Это открытие поможет ученым в дальнейшем управлять фотосинтезом. Результаты исследования могут помочь найти новый способ получения экологически чистой энергии, повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к солнечному свету, а также эффективно фиксировать углекислый газ и получать водород. Разработки на основе модифицированного фотосинтеза определенно окажутся полезными и в экологической перспективе. «Физический аспект фотосинтеза действительно впечатляет. Наблюдение за переносом заряда через клетки открывает замечательные возможности для новых открытий в отношении того, как работает природа», — сказал соавтор работы Томи Байки из Кембриджского Университета.
Автор: Нелли Чивилева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
