4 мин. чтения
7/10/2023 8:08:47 AM

Химики выясняют, почему фотосинтез настолько эффективен

Featured Image 1 Растительные клетки с видимыми хлоропластами (из мха, Plagiomnium affine) Фото: Википедия

Передача энергии через светособирающий комплекс происходит с чрезвычайно высокой эффективностью: почти каждый фотон поглощенного света генерирует электрон, явление, известное как квантовая эффективность, близкая к единице.

Новое исследование, проведенное химиками Массачусетского технологического института, предлагает потенциальное объяснение того, как белки светособирающего комплекса, также называемого антенной, достигают такой высокой эффективности. Впервые исследователи смогли измерить передачу энергии между светособирающими белками, что позволило им обнаружить, что неорганизованное расположение этих белков повышает эффективность передачи энергии.

«Для того, чтобы эта антенна работала, вам нужна передача энергии на большие расстояния. Наш ключевой вывод заключается в том, что неупорядоченная организация белков, собирающих свет, повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния», — говорит Габриэла Шлау-Коэн, доцент химии в Массачусетском технологическом институте

Улавливание энергии

В своем исследовании команда Массачусетского технологического института сосредоточилась на фиолетовых бактериях, которые часто встречаются в бедной кислородом водной среде и обычно используются в качестве модели для исследований фотосинтетического сбора света.

Внутри этих клеток захваченные фотоны проходят через светособирающие комплексы, состоящие из белков и светопоглощающих пигментов, таких как хлорофилл. Используя сверхбыструю спектроскопию, метод, который использует чрезвычайно короткие лазерные импульсы для изучения событий, происходящих во временных масштабах от фемтосекунд до наносекунд, ученые смогли изучить, как энергия движется внутри одного из этих белков. Однако изучение того, как энергия перемещается между этими белками, оказалось гораздо более сложным, поскольку требует контролируемого позиционирования нескольких белков.

Чтобы создать экспериментальную установку, в которой они могли бы измерить, как энергия перемещается между двумя белками, команда Массачусетского технологического института разработала синтетические наноразмерные мембраны с составом, аналогичным составу естественных клеточных мембран. Контролируя размер этих мембран, известных как нанодиски, они смогли контролировать расстояние между двумя белками, встроенными в диски.

Для этого исследования ученые встроили в свои нанодиски две версии первичного светособирающего белка, обнаруженного в пурпурных бактериях, известного как LH2 и LH3. LH2 — это белок, который присутствует в нормальных условиях освещения, а LH3 — это вариант, который обычно экспрессируется только в условиях низкой освещенности.

Используя криоэлектронный микроскоп в Массачусетском технологическом институте, исследователи смогли визуализировать свои мембранные белки и показать, что они были расположены на расстояниях, аналогичных тем, которые видны в нативной мембране. Они также смогли измерить расстояния между светособирающими белками, которые были в масштабе от 2,5 до 3 нанометров.

Хаотичность лучше, чем упорядоченность

Поскольку LH2 и LH3 поглощают немного разные длины волн света, можно использовать сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за передачей энергии между ними. Для белков, расположенных близко друг к другу, исследователи обнаружили, что фотону энергии требуется около 6 пикосекунд, чтобы пройти между ними. Для белков, расположенных дальше друг от друга, перенос занимает до 15 пикосекунд.

Более быстрое путешествие приводит к более эффективной передаче энергии, потому что чем дольше длится путешествие, тем больше энергии теряется во время передачи.

«Когда фотон поглощается, у вас есть только столько времени, прежде чем эта энергия будет потеряна из-за нежелательных процессов, таких как безызлучательный распад, поэтому чем быстрее он может быть преобразован, тем эффективнее он будет», — говорит Шлау-Коэн.

Исследователи также обнаружили, что белки, расположенные в решетчатой структуре, показали менее эффективную передачу энергии, чем белки, которые были расположены в случайно организованных структурах, как это обычно бывает в живых клетках.

«Упорядоченная организация на самом деле менее эффективна, чем неупорядоченная организация биологии, что, на наш взгляд, действительно интересно, потому что биология имеет тенденцию быть неупорядоченной. Это открытие говорит нам о том, что это может быть не только неизбежным недостатком биологии, но и организмы, возможно, эволюционировали, чтобы воспользоваться этим», — говорит Шлау-Коэн.

Подробнее: Wang, Dihao et al, Elucidating interprotein energy transfer dynamics within the antenna network from purple bacteria, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2220477120 🔗

Получи бесплатную еженедельную рассылку со ссылками на репозитории и лонгриды самых интересных историй о стартапах 🚀, AI технологиях 👩‍💻 и программировании 💻!
Присоединяйся к тысячам читателей для получения одного еженедельного письма

Подписывайся на нас:

Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.

Добавляй ЛРНЧ в свою ленту Google Новостей.
Читайте далее 📖

Ошеломляющее открытие - металлы могут исцелять себя сами

7/25/2023 · 4 мин. чтения

Ошеломляющее открытие - металлы могут исцелять себя сами

Машинное обучение позволяет выполнять точные расчеты электронных структур для моделирования материалов

7/12/2023 · 4 мин. чтения

Машинное обучение позволяет выполнять точные расчеты электронных структур для моделирования материалов