Улучшение нашего понимания антенных комплексов может помочь ученым разработать искусственные системы, имитирующие листья, превращая солнечный свет в электричество или топливо. Это также могло бы заложить основу для повышения эффективности процесса фотосинтеза у растений, водорослей и микробов.
Эта технология может повысить урожайность этих организмов, потенциально делая биотопливо менее дорогим и более простым в производстве.Чтобы расширить наше понимание фотосинтеза, Управление науки (SC) Министерства энергетики (DOE) поддерживает исследования в Центре исследований фотосинтетических антенн (PARC), исследовательском центре DOE Energy Frontier.
Исследователи PARC изучают, как антенные комплексы организуют свои компоненты и защищают себя от повреждений.От фотона к фотохимииВесь фотосинтез начинается с одного шага — фотон света попадает в пигмент. Пигмент (хлорофилл у растений и водорослей; бактериохлорофилл у некоторых бактерий) реагирует на фотон, отдавая электрон.
Затем этот электрон передается в реакционный центр, где он производит продукты, которые в конечном итоге приводят в действие растительную клетку.Комплекс фотосинтетических антенн представляет собой набор пигментов и белков, которые улавливают и отводят энергию света. Антенные комплексы очень разнообразны, их размер, структура и даже типы пигментов у разных организмов различаются.
«Они заметно отличаются», — сказал Роберт Бланкеншип, профессор Вашингтонского университета и директор PARC. «Как только мы их поймем, мы сможем выбирать [характеристики], используя их в качестве источника вдохновения для синтетических систем».Зеленые серные бактерии способствуют фотосинтетическим исследованиямЗеленые серные бактерии, или Chlorobiaceae, составляют одно из самых уникальных семейств фотосинтезирующих организмов.
Эти своеобразные бактерии живут глубоко в отложениях прудов, озер и океанов, где они сталкиваются лишь с несколькими фотонами света в день. В этой среде бактерии редко подвергаются воздействию кислорода и не производят его.Но то, что зеленым серным бактериям не хватает на свету, они компенсируют своей эффективностью. У них есть два антенных комплекса, которые работают вместе: хлоросомы и комплекс Фенна-Мэтьюз-Олсон (FMO).
Хлоросомы — самые крупные из существующих фотосинтетических комплексов. В то время как некоторые типы антенных комплексов состоят всего из нескольких десятков пигментов, хлоросомы состоят из 250 000 молекул пигмента.
Кроме того, хлоросомы перемещают энергию намного быстрее, чем их аналоги в растениях и водорослях.Как заявили исследователи, поддерживаемые SC, в статье в New Journal of Chemistry: «Хлоросомы, пожалуй, самые впечатляющие светособирающие антенны в природе».Необычная природа зеленых серных бактерий делает их идеальными объектами для фотосинтетических исследований.
Их антенные комплексы легче создавать для исследователей, чем антенные комплексы на заводах, и обладают характеристиками, которые могут быть полезны для будущих технологий.Изучение сборки антенных комплексовПодобно металлическому каркасу, поддерживающему окна теплицы, антенные комплексы растений и водорослей имеют каркас из белков.
Эти каркасы удерживают пигменты на месте и контролируют, как пигменты передают энергию между собой и реакционным центром.Однако хлоросомы зеленых серных бактерий лишены этих каркасов.
Вместо этого пигменты собираются в стопки. Поскольку эта самоорганизация проще, чем белковые каркасы, ученым может быть легче скопировать.Но поскольку каждая хлоросома имеет уникальную структуру, их сложно изучать.
Чтобы решить эту проблему, исследователи при поддержке ERFC разработали мутировавшие формы зеленых серных бактерий. Пигменты в этих измененных формах распределялись более равномерно, чем в природных. Ученые обнаружили, что небольшие вариации «строительных блоков» пигмента хлоросом приводят к очень разным структурам.
Это похоже на игру в тетрис — каждый набор фигур приводит к разному шаблону их наложения.Ученые из штата Северная Каролина, Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде, являющихся партнерами PARC, создают свои собственные молекулы пигмента и с нуля создали 30 различных хлоринов (тип пигмента).
Добавляя и удаляя химические группы, исследователи могли «настраивать» характеристики пигментов, в том числе их способность складываться. Исследователи могут использовать эту технику для создания синтетических светособирающих систем.«Мы начинаем понимать на молекулярном уровне, как устроена эта естественная система», — сказал Бланкеншип.Ни слишком много, ни слишком мало солнца
Так же, как людям нужно защищаться от солнца, растениям, водорослям и бактериям нужно защищаться. Несмотря на то, что фотосинтезирующим организмам для роста нужен свет, слишком много энергии может повредить им.Когда пигмент хлорофилла обычно поглощает свет, он отдает электрон реакционному центру.
Однако, если реакционный центр слишком занят фотосинтезом, он не может этого принять. Вместо этого пигмент передает энергию специализированному набору белков и пигментов, которые могут от него избавиться. Исследователи хотят лучше понять этот процесс, чтобы вывести растения, которые увеличивают количество используемого света и минимизируют ущерб.
Зеленые серные бактерии, особенно Chlorobaculum, снова предлагают уникальную перспективу. Исследователи Вашингтонского университета изучили, как антенный комплекс FMO от Chlorobaculum защищает себя. В отличие от обычных растений, кислород повреждает реакционные центры Chlorobaculum.
Чтобы предотвратить вред, бактерия замедляет фотосинтез как при слишком ярком солнечном свете, так и при наличии кислорода.Однако ученые знали, что комплекс FMO Chlorobaculum не использует пигменты, которые обычно защищают растения, водоросли или бактерии. Исследовав комплекс, они ожидали найти какую-нибудь необычную аминокислоту, строительный блок белка.
Вместо этого они обнаружили два совершенно нормальных цистеина, одну из 20 хорошо изученных аминокислот. Как и пигменты, которые обычно избавляются от энергии, эти аминокислоты принимают электроны. Однако они делают это только в присутствии кислорода.
Кроме того, в то время как другие механизмы действуют как переключатель включения / выключения фотосинтеза, они больше похожи на регулятор громкости, который клетка может увеличивать и уменьшать.Используя это новое понимание, ученые смогут изменить бактерии, которые делают азот из почвы доступным для растений. Эти бактерии плохо переносят кислород, поэтому улучшение их способности переносить кислород может повысить урожайность продовольственных и биотопливных культур.Работа ученых показывает, как эти крошечные антенные комплексы работают в каждом зеленом листе, который вы заметите во время прогулки по лесу, от самостоятельной сборки до самозащиты.
Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.