Το "hack" της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας

Ερευνητές "χάκαραν" τα πρώτα στάδια της φωτοσύνθεσης, της φυσικής μηχανής που τροφοδοτεί τη συντριπτική πλειοψηφία της ζωής στη Γη, και ανακάλυψαν 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 Cambridge, 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 υπερταχεία χρονική κλίμακα: 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 υπερταχείες 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, και όχι πολύ αργότερα, όπως πιστεύαμε προηγουμένως.

Αυτή η "επανασύνδεση" 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 εντελώς εκπληκτική", δήλωσε η Dr Jenny Zhang από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Cambridge, 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 αρχικά προσπαθούσαν να κατανοήσουν γιατί ένα μόριο σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται κινόνη (quinone) 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 για να μελετήσουν πώς συμπεριφέρονται οι κινόνες 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 σοβαρά εντυπωσιακή", δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Dr Tomi Baikie, από το εργαστήριο Cavendish του Cambridge "Κανονικά, εργαζόμαστε σε εξαιρετικά διατεταγμένα υλικά, αλλά η παρατήρηση της μεταφοράς φορτίου μέσω των κυττάρων 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-πρώτη 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 τις 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 κλίμακα femtosecond - ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

"Η χρήση αυτών των υπερταχέων μεθόδων μας επέτρεψε να κατανοήσουμε περισσότερα για τα πρώιμα γεγονότα της φωτοσύνθεσης, από τα οποία εξαρτάται η ζωή στη Γη", δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Christopher Howe από το Τμήμα Βιοχημείας.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Συμβούλιο Ερευνών Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) και το Συμβούλιο Ερευνών Βιοτεχνολογίας και Βιολογικών Επιστημών (BBSRC), αμφότερα μέρος της Έρευνας και Καινοτομίας του Ηνωμένου Βασιλείου (UKRI), το Πρόγραμμα Winton για τη Φυσική της Αειφορίας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, το Cambridge Commonwealth, το European & International Trust, καθώς και το πρόγραμμα έρευνας και καινοτομίας "Horizon 2020" της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η Jenny Zhang είναι υπότροφος του David Phillips στο Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied και μέλος του Corpus Christi College του Cambridge. Ο Tomi Baikie είναι NanoFutures Fellow στο Cavendish Laboratory, και μέλος του Lucy Cavendish College, Cambridge. Η Laura Wey είναι μεταδιδακτορική υπότροφος του Ιδρύματος Novo Nordisk στο Πανεπιστήμιο του Turku.

Baikie and Wey et al. ‘Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale.’ Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9