Op het energietraject: onderzoekers vinden nieuwe details volgens het pad van zonne-energie tijdens fotosynthese

Op het energietraject: onderzoekers vinden nieuwe details volgens het pad van zonne-energie tijdens fotosynthese

Anonim
Image

Stel je een technologie voor die niet alleen een groene en hernieuwbare bron van elektrische energie zou bieden, maar ook zou kunnen helpen de atmosfeer van overmatig kooldioxide als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen te schrobben. Dat is de belofte van kunstmatige versies van fotosynthese, het proces waarbij groene planten zonne-energie al miljoenen jaren in elektrochemische energie omzetten. Om daar te komen, hebben wetenschappers echter een veel beter begrip nodig van hoe de natuur het doet, te beginnen met het oogsten van zonlicht en het transport van deze energie naar elektrochemische reactiecentra.

Graham Fleming, een fysisch chemicus die gezamenlijke afspraken heeft met het Lawrence Berkeley National Laboratory van de VS en de Universiteit van Californië in Berkeley, is de leider van een voortdurende poging om te ontdekken hoe planten energie kunnen overbrengen via een netwerk van pigment- eiwitcomplexen met een efficiëntie van bijna 100 procent. In eerdere studies gebruikten hij en zijn onderzoeksgroep een op laser gebaseerde techniek die ze ontwikkelden, tweedimensionale elektronische spectroscopie genoemd om de stroom van excitatie-energie door zowel tijd als ruimte te volgen. Nu zijn ze voor het eerst in staat geweest om die stroom te verbinden met energie-overdragende functies door directe experimentele koppelingen tussen atomaire en elektronische structuren in pigment-eiwitcomplexen te bieden.

“Om volledig te begrijpen hoe het energieoverdrachtsysteem in fotosynthese werkt, kun je niet alleen het ruimtelijke landschap van deze pigment-eiwitcomplexen bestuderen, maar ook het elektronische energielandschap. Dit was een uitdaging omdat het elektronische energielandschap niet beperkt is tot een enkel molecuul, maar verspreid is over een heel systeem van moleculen, "zei Fleming. “Onze nieuwe 2D elektronische spectroscopietechniek heeft ons in staat gesteld om verder te gaan dan het weergeven van structuren en om beeldvormende functies te starten. Dit stelt ons in staat om de cruciale aspecten van het energieoverdrachtssysteem te onderzoeken waardoor het kan werken zoals het werkt.

In een paper gepubliceerd door de Biophysical Journal , rapporteren Fleming en zijn groep over een studie van de energie-overdragende functies binnen het Fenna-Matthews-Olson (FMO) fotosynthetische lichtoogstende eiwit, een pigment-eiwitcomplex in groene zwavelbacteriën dat dient als modelsysteem omdat het uit slechts zeven goed gekarakteriseerde pigmentmoleculen bestaat. Het artikel, getiteld "Visualisatie van Excitonische structuur in het fotosynthetisch complex van Fenna-Matthews-Olson door polarisatie-afhankelijke tweedimensionale elektronische spectroscopie, " werd mede-geschreven door Elizabeth Read, samen met Gabriela Schlau-Cohen, Gregory Engel, Jianzhong Wen en Robert Blankenship.

"De optische eigenschappen van bacteriochlorofylpigmenten zijn goed begrepen, en de ruimtelijke rangschikking van de pigmenten in FMO is bekend, maar dit was niet voldoende om te begrijpen hoe het eiwit als geheel reageert op lichte excitatie, " zei Read. “Door de laserpulsen in onze 2D elektronische spectroscopie op specifieke manieren te polariseren, konden we de richting van elektronische excitatietoestanden in het FMO-complex visualiseren en onderzoeken hoe individuele toestanden bijdragen aan het collectieve gedrag van het pigment-eiwitcomplex na excitatie met breedband. "

Fleming heeft 2D elektronische spectroscopie vergeleken met de vroege super-heterodyne radio's, waar een binnenkomend hoogfrequent radiosignaal werd omgezet door een oscillator naar een lagere frequentie voor meer regelbare versterking en betere ontvangst. In 2D elektronische spectroscopie wordt een monster achtereenvolgens geflitst met licht van drie laserstralen, afgeleverd in femtoseconde tijdschaal bursts, terwijl een vierde bundel dient als een lokale oscillator om de resulterende spectroscopische signalen te versterken en in fase te matchen.

"Door het bieden van femtoseconde temporele resolutie en nanometer ruimtelijke resolutie, stelt 2D elektronische spectroscopie ons in staat om gelijktijdig de dynamiek van meerdere elektronische toestanden te volgen, wat het een bijzonder nuttig hulpmiddel maakt voor het bestuderen van fotosynthetische complexen, " zei Fleming. “Omdat de pigmentmoleculen in eiwitcomplexen een vaste oriëntatie ten opzichte van elkaar hebben en elk licht absorberen dat gepolariseerd is langs een bepaalde moleculaire as, stelt het gebruik van 2D elektronische spectroscopie met gepolariseerde laserpulsen ons in staat om de elektronische koppelingen en interacties te volgen (tussen pigmenten en het omringende eiwit) die het mechanisme van de energiestroom bepalen. Dit suggereert de mogelijkheid om toekomstige experimenten te ontwerpen die combinaties van op maat gemaakte polarisatiesequenties gebruiken om afzonderlijke energieontspanningsroutes te scheiden en te bewaken. ”

In alle fotosynthetische systemen wordt de omzetting van licht in chemische energie aangedreven door elektronische koppelingen die aanleiding geven tot collectieve excitaties - moleculaire of Frenkel-excitons genoemd (naar de Russische fysicus Yakov Frenkel) - die verschillen van individuele pigmentexcitaties. Energie in de vorm van deze moleculaire excitonen wordt overgedragen van de ene molecule naar de volgende naar beneden specifieke energiebanen zoals bepaald door het elektronische energielandschap van het complex. Polarisatieselectieve 2D elektronische spectroscopie is gevoelig voor moleculaire excitonen - hun energieën, overgangssterktes en oriëntaties - en is daarom een ​​ideale sonde van complexe functies.

"Met behulp van gespecialiseerde polarisatiesequenties die selecteren voor een bepaalde kruispiek in een spectrum, kunnen we elke specifieke elektronische koppeling onderzoeken, zelfs in een systeem met veel op elkaar inwerkende chromoforen, " zei Read. "Het vermogen om specifieke interacties tussen elektronische toestanden krachtiger te onderzoeken, zou ons moeten helpen de ontwerpprincipes van natuurlijke lichtoogstsystemen beter te begrijpen, wat op zijn beurt zou moeten helpen bij het ontwerpen van kunstmatige lichtconversie-apparaten."

Bron: Lawrence Berkeley National Laboratory