يكتشف الكيميائيون سبب فعالية حصاد ضوء التمثيل الضوئي

عندما تمتص خلايا التمثيل الضوئي ضوء الشمس ، تقفز حزم من الطاقة تسمى الفوتونات بين سلسلة من البروتينات التي تجمع الضوء حتى تصل إلى مركز التفاعل الضوئي. هناك ، تقوم الخلايا بتحويل الطاقة إلى إلكترونات ، والتي تغذي في النهاية إنتاج جزيئات السكر.

يحدث هذا النقل للطاقة من خلال مجمع حصاد الضوء بكفاءة عالية للغاية: فكل فوتون ممتص من الضوء تقريبًا يولد إلكترونًا ، وهي ظاهرة تُعرف باسم الكفاءة الكمية القريبة من الوحدة.

تقدم دراسة جديدة قام بها الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تفسيرًا محتملًا لكيفية تحقيق البروتينات في مجمع حصاد الضوء ، المعروف أيضًا باسم الهوائي ، لهذه الكفاءة العالية. لأول مرة ، تمكن الباحثون من قياس انتقال الطاقة بين البروتينات التي تجمع الضوء ، مما سمح لهم باكتشاف أن الترتيب غير المنظم لهذه البروتينات يزيد من كفاءة نقل الطاقة.

تقول غابرييلا شلاو كوهين ، الأستاذة المشاركة في الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة.

زملاء ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Dihao Wang و Dvir Harris وطالبة الدراسات العليا السابقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Olivia Fiebig Ph.D. هم المؤلفون الرئيسيون للورقة ، التي نُشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. جيانشو كاو ، أستاذ الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، هو أيضًا مؤلف المقال.

حصاد الطاقة

في هذه الدراسة ، ركز فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على البكتيريا البنفسجية ، والتي غالبًا ما توجد في البيئات المائية التي تفتقر إلى الأكسجين وتستخدم عادة كنموذج لدراسات تجميع الضوء الضوئي.

داخل هذه الخلايا ، تنتقل الفوتونات الملتقطة عبر مجمعات حصاد الضوء المكونة من بروتينات وأصباغ ماصة للضوء مثل الكلوروفيل. باستخدام التحليل الطيفي فائق السرعة ، وهي تقنية تستخدم نبضات ليزر قصيرة للغاية لدراسة الأحداث التي تحدث في نطاقات زمنية تتراوح من الفمتوثانية إلى النانو ثانية ، تمكن العلماء من دراسة كيفية تحرك الطاقة في واحد من هذه البروتينات. ومع ذلك ، فقد ثبت أن دراسة كيفية انتقال الطاقة بين هذه البروتينات أكثر صعوبة لأنها تتطلب وضع بروتينات متعددة بطريقة مضبوطة.

لإنشاء إعداد تجريبي حيث يمكنهم قياس كيفية انتقال الطاقة بين بروتينين ، صمم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أغشية صناعية نانوية ذات تركيبة مشابهة لتلك الموجودة في أغشية الخلايا الطبيعية. من خلال التحكم في حجم هذه الأغشية ، المسماة nanodiscs ، تمكنوا من التحكم في المسافة بين بروتينين مدمجين في الأقراص.

في هذه الدراسة ، قام الباحثون بدمج نسختين من بروتين حصاد الضوء الرئيسي الموجود في البكتيريا الأرجوانية ، والمعروفين باسم LH2 و LH3 ، في أقراصهم النانوية. LH2 هو البروتين الموجود في ظروف الإضاءة العادية و LH3 هو متغير لا يتم التعبير عنه عادة إلا في ظروف الإضاءة المنخفضة.

باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد في منشأة MIT.nano ، تمكن الباحثون من تصوير البروتينات المضمنة في الغشاء وإظهار أنها تم وضعها على مسافات مماثلة لتلك التي شوهدت في الغشاء الأصلي. كما كانوا قادرين على قياس المسافات بين بروتينات حصاد الضوء ، والتي كانت في حدود 2.5 إلى 3 نانومتر.

فوضوي أفضل

نظرًا لأن LH2 و LH3 يمتصان أطوال موجية مختلفة قليلاً من الضوء ، فمن الممكن استخدام التحليل الطيفي فائق السرعة لمراقبة نقل الطاقة بينهما. بالنسبة للبروتينات المتقاربة ، وجد الباحثون أن الأمر يستغرق حوالي 6 بيكو ثانية لفوتون من الطاقة للتنقل بينها. بالنسبة للبروتينات الأكثر بعدًا ، يستغرق النقل ما يصل إلى 15 بيكو ثانية.

يُترجم التحرك بشكل أسرع إلى نقل أكثر كفاءة للطاقة ، لأنه كلما طالت الرحلة ، زاد فقدان الطاقة أثناء النقل.

يقول شلاو كوهين: “عندما يُمتص الفوتون ، لا يتبقى سوى وقت قصير قبل ضياع الطاقة من خلال عمليات غير مرغوب فيها مثل التحلل غير الإشعاعي ، لذلك كلما كان تحويله أسرع ، زادت فعاليته”.

وجد الباحثون أيضًا أن البروتينات المرتبة في بنية شبكية أظهرت نقل طاقة أقل كفاءة من البروتينات المرتبة في هياكل مرتبة عشوائيًا ، كما هو الحال عادةً في الخلايا الحية.

“التنظيم المنظم هو في الواقع أقل كفاءة من التنظيم غير المنضبط في علم الأحياء ، وهو ما نعتقد أنه مثير للاهتمام حقًا لأن علم الأحياء يميل إلى الفوضى. يخبرنا هذا الاكتشاف أنه قد لا يكون مجرد جانب سلبي لا مفر منه في علم الأحياء ، ولكن قد تكون الكائنات الحية قد تطورت إليه يقول شلاو كوهين.

الآن بعد أن أثبتوا القدرة على قياس نقل الطاقة بين البروتينات ، يخطط الباحثون لاستكشاف نقل الطاقة بين البروتينات الأخرى ، مثل النقل بين بروتينات الهوائي وبروتينات الخلية. مركز التفاعل. كما يخططون أيضًا لدراسة نقل الطاقة بين بروتينات الهوائيات الموجودة في الكائنات الحية بخلاف البكتيريا الأرجواني ، مثل النباتات الخضراء.