Fotosynteza to jeden z najważniejszych procesów chemicznych na naszej planecie – bez niego nie byłoby tlenu, roślin, zwierząt ani nas samych. W samym jej sercu działa złożony mechanizm molekularny zwany fotoukładem II, który odpowiada za rozszczepienie cząsteczki wody i rozpoczęcie sztafety elektronów zmierzającej ku produkcji energii. Fotoukład II składa się z dwóch symetrycznych “gałęzi” – D1 i D2 – rozmieszczonych wokół cząsteczek chlorofilu i feofityny. Teoretycznie elektrony mogłyby przepływać przez każdą z nich. W praktyce robią to tylko przez jedną.
Czytaj też: Fotosynteza zhakowana. To odkrycie może uratować ziemskie uprawy
Ten fenomen zafascynował fizyków i biofizyków. Dlaczego tylko D1 jest aktywna, skoro D2 jest jej niemal lustrzanym odbiciem? To pytanie przez dekady pozostawało bez odpowiedzi. Aż do teraz.
Fotosynteza jak zablokowana autostrada
Zespół badaczy z Indian Institute of Science (IISc) i California Institute of Technology (Caltech) połączył siły, by przyjrzeć się tej zagadce na poziomie molekularnym i kwantowym. Korzystając z symulacji dynamiki molekularnej, obliczeń chemii kwantowej oraz teorii transferu elektronów Marcusa, naukowcy stworzyli precyzyjną mapę energetyczną dwóch gałęzi fotoukładu II.
Czytaj też: Produkcja wodoru nigdy nie była tak prosta. Sztuczna fotosynteza lepsza niż w naturze
Okazało się, że główną przeszkodą w przepływie elektronów przez D2 jest znacznie wyższa bariera energetyczna – szczególnie w trzecim etapie transferu, gdzie feofityna powinna przekazać elektron plastochinonowi. W D2 ten krok wymaga niemal dwukrotnie większej energii niż w D1. To jakby droga, którą elektrony miałyby przebyć, nagle zamieniła się w strome, niemal nieprzejezdne wzgórze.
Symulacje wykazały, że opór elektryczny w D2 jest aż 100 razy większy niż w aktywnej D1. Z fizycznego punktu widzenia, D2 wydaje się więc “zablokowaną autostradą”, nawet jeśli z zewnątrz wygląda identycznie.
Co więcej, choć D1 i D2 są symetryczne pod względem struktury białek, badacze zauważyli drobne różnice w otaczającym je środowisku molekularnym. Jednym z kluczowych czynników okazał się stan wzbudzenia chlorofilu – w D1 jest on niższy, co sprzyja “przyciąganiu” elektronów i ułatwia ich transfer. W D2, gdzie chlorofil wzbudza się wyżej energetycznie, proces ten jest mniej wydajny i mniej stabilny. Sugeruje to, że nie tylko sama struktura, ale także lokalne warunki w otoczeniu barwników, np. sposób, w jaki są one osadzone w białku, mają ogromne znaczenie.
Choć badania opisane w czasopiśmie PNAS dotyczyły naturalnego mechanizmu fotosyntezy, ich implikacje sięgają dużo dalej. Naukowcy przekonują, że zrozumienie przyczyn asymetrii może pomóc w projektowaniu wydajniejszych, syntetycznych systemów fotosyntetycznych. Te mogłyby służyć np. do produkcji paliw słonecznych, oczyszczania atmosfery czy tworzenia biomimetycznych ogniw energetycznych.
Co więcej, według zespołu możliwe jest “przeprogramowanie” nieczynnej gałęzi D2. Wystarczyłoby – przynajmniej teoretycznie – zamienić miejscami chlorofil i feofitynę, by przełamać barierę energetyczną i umożliwić przepływ elektronów. To jakby odblokować zamknięty zjazd z autostrady natury.
Prof. Prabal K. Maiti z IISc, współautor pracy, mówi:
Nasze badania to znaczący krok w zrozumieniu naturalnej fotosyntezy. Ale to także punkt wyjścia dla przyszłych technologii odnawialnych źródeł energii.
Prof. William Goddard z Caltech dodaje:
To piękny przykład zastosowania teorii na różnych poziomach, by rozwiązać długotrwały problem. Ale przed nami wciąż kolejne tajemnice.
Z pozoru to tylko drobna asymetria w mikroskopijnej strukturze roślinnego białka. W praktyce – klucz do zrozumienia, jak natura zoptymalizowała życie. Odkrycie zespołu z IISc i Caltech to nie tylko rozwiązanie naukowej zagadki, ale i nowa perspektywa na przyszłość czystej energii, a także usprawnienia upraw roślin.