Ερευνητές «χάκαραν» τα πρώτα στάδια της φωτοσύνθεσης, της φυσικής μεθόδου που τροφοδοτεί τη συντριπτική πλειοψηφία της φυτικής ζωής στη Γη, ανακαλύπτοντας νέους τρόπους για την εξαγωγή ενέργειας από τη διαδικασία. Ένα εύρημα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους παραγωγής καθαρών καυσίμων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Μια διεθνής ομάδα φυσικών, χημικών και βιολόγων, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, κατάφερε να μελετήσει τη φωτοσύνθεση - τη διαδικασία με την οποία τα φυτά, τα φύκια και ορισμένα βακτήρια μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια - σε ζωντανά κύτταρα σε εξαιρετικά μικρή χρονική κλίμακα: στο ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μια από τις πιο γνωστές και καλά μελετημένες διαδικασίες στη Γη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η φωτοσύνθεση έχει ακόμη μυστικά να πει. Χρησιμοποιώντας υπερταχείς φασματοσκοπικές τεχνικές για τη μελέτη της κίνησης της ενέργειας, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι χημικές ουσίες που μπορούν να αποσπάσουν ηλεκτρόνια από τις μοριακές δομές που είναι υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση το κάνουν στα αρχικά στάδια, κι όχι πολύ αργότερα, όπως πιστεύαμε προηγουμένως.
Αυτός ο «επαναπροσδιορισμός» της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζει την περίσσεια ενέργειας και να δημιουργήσει νέους και πιο αποτελεσματικούς τρόπους χρήσης της ενέργειάς της. Τα αποτελέσματα αναφέρονται στο περιοδικό Nature.
«Δεν γνωρίζαμε τόσα πολλά για τη φωτοσύνθεση όσα νομίζαμε ότι γνωρίζαμε, και η νέα οδός μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρήκαμε εδώ είναι απολύτως εκπληκτική», δήλωσε η Δρ Jenny Zhang από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Κέιμπριτζ, η οποία συντόνισε την έρευνα.
Ενώ η φωτοσύνθεση είναι μια φυσική διαδικασία, οι επιστήμονες μελετούν επίσης πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης, μιμούμενοι τις διαδικασίες φωτοσύνθεσης για την παραγωγή καθαρών καυσίμων από το ηλιακό φως και το νερό, για παράδειγμα.
Η Zhang και οι συνάδελφοί της προσπαθούσαν αρχικά να κατανοήσουν γιατί ένα μόριο σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται κινόνη είναι σε θέση να «κλέβει» ηλεκτρόνια από τη φωτοσύνθεση. Οι κινόνες είναι κοινές στη φύση και μπορούν να δέχονται και να δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία υπερταχείας παροδικής απορρόφησης (ultrafast transient absorption spectroscopy) για να μελετήσουν πώς οι κινόνες συμπεριφέρονται στα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια.
«Κανείς δεν είχε μελετήσει σωστά πώς αυτό το μόριο αλληλεπιδρά με τον φωτοσυνθετικό μηχανισμό σε ένα τόσο πρώιμο σημείο της φωτοσύνθεσης: νομίζαμε ότι απλώς χρησιμοποιούσαμε μια νέα τεχνική για να επιβεβαιώσουμε αυτό που ήδη γνωρίζαμε», δήλωσε η Zhang. «Αντ' αυτού, βρήκαμε ένα εντελώς νέο μονοπάτι και ανοίξαμε λίγο περισσότερο το μαύρο κουτί της φωτοσύνθεσης».
Χρησιμοποιώντας υπερταχεία φασματοσκοπία για να παρακολουθούν τα ηλεκτρόνια, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το πρωτεϊνικό ικρίωμα όπου λαμβάνουν χώρα οι αρχικές χημικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης είναι «τρύπιο», επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να διαφεύγουν. Αυτή η διαρροή θα μπορούσε να βοηθήσει τα φυτά να προστατευτούν από ζημιές από έντονο ή ταχέως μεταβαλλόμενο φως.
«Η φυσική της φωτοσύνθεσης είναι εξαιρετικά εντυπωσιακή», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Dr Tomi Baikie, από το εργαστήριο Cavendish του Cambridge «Κανονικά, εργαζόμαστε σε υλικά υψηλής τάξης, αλλά η παρατήρηση της μεταφοράς φορτίου μέσα στα κύτταρα ανοίγει αξιοσημείωτες ευκαιρίες για νέες ανακαλύψεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας της φύσης».
«Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια από τη φωτοσύνθεση είναι διασκορπισμένα σε όλο το σύστημα, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε αυτά», δήλωσε η συν-συγγραφέας Dr Laura Wey, η οποία έκανε την εργασία στο Τμήμα Βιοχημείας και τώρα βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Turku της Φινλανδίας. «Το γεγονός ότι δεν γνωρίζαμε ότι υπήρχε αυτή η οδός είναι συναρπαστικό, διότι θα μπορούσαμε να την αξιοποιήσουμε για να εξάγουμε περισσότερη ενέργεια για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας».
Οι ερευνητές λένε ότι η δυνατότητα εξαγωγής φορτίων σε ένα προηγούμενο σημείο της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, θα μπορούσε να καταστήσει τη διαδικασία πιο αποτελεσματική κατά τον χειρισμό των φωτοσυνθετικών μονοπατιών για την παραγωγή καθαρών καυσίμων από τον ήλιο. Επιπλέον, η ικανότητα ρύθμισης της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να σημαίνει ότι οι καλλιέργειες θα μπορούσαν να γίνουν πιο ικανές να αντέξουν την έντονη ηλιακή ακτινοβολία.
«Πολλοί επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να εξάγουν ηλεκτρόνια από ένα προηγούμενο σημείο της φωτοσύνθεσης, αλλά είπαν ότι δεν ήταν δυνατό, επειδή η ενέργεια είναι τόσο θαμμένη στο πρωτεϊνικό σκελετό», δήλωσε η Zhang. «Το γεγονός ότι μπορούμε να τα “κλέψουμε” σε μια προγενέστερη διαδικασία είναι εντυπωσιακό. Στην αρχή νομίζαμε ότι κάναμε λάθος: μας πήρε λίγο χρόνο για να πειστούμε ότι τα καταφέραμε».
Το κλειδί για την ανακάλυψη ήταν η χρήση της υπερταχείας φασματοσκοπίας, η οποία επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τη ροή της ενέργειας στα ζωντανά φωτοσυνθετικά κύτταρα σε τρομερά μικρή κλίμακα - ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
«Η χρήση αυτών των υπερταχέων μεθόδων μας επέτρεψε να κατανοήσουμε περισσότερα για τα πρώιμα στάδια της φωτοσύνθεσης, από τα οποία εξαρτάται η ζωή στη Γη», δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Christopher Howe από το Τμήμα Βιοχημείας.
Mε πληροφορίες από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και το περιοδικό Nature
