Innovativer Photosynthese-Hack ebnet den Weg für Durchbrüche bei erneuerbaren Energien

Forscher haben die frühen Stadien von „gehackt“.[{“ attribute=““>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

Obwohl die Photosynthese ein weithin bekannter und umfassend untersuchter Prozess ist, haben Forscher der University of Cambridge entdeckt, dass sie immer noch verborgene Geheimnisse birgt. Durch den Einsatz ultraschneller Spektroskopietechniken fanden sie heraus, dass die Elektronenextraktion aus den für die Photosynthese verantwortlichen molekularen Strukturen in früheren Stadien erfolgt als bisher angenommen. Diese „Neuverdrahtung“ der Photosynthese könnte zu einem besseren Umgang mit überschüssiger Energie und der Entwicklung neuer, effizienterer Wege zur Nutzung ihres Potenzials führen. Bildnachweis: Mary Ayers

„Wir wussten nicht so viel über Photosynthese, wie wir dachten, und der neue Elektronentransferweg, den wir hier gefunden haben, ist ziemlich überraschend“, sagte Dr.

Obwohl die Photosynthese ein natürlicher Prozess ist, haben Wissenschaftler auch untersucht, wie sie zur Bewältigung der Klimakrise eingesetzt werden könnte, indem sie beispielsweise photosynthetische Prozesse simulieren, um saubere Kraftstoffe aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen.

Zhang und ihre Kollegen versuchten ursprünglich zu verstehen, warum ein ringförmiges Molekül namens Chinon Elektronen aus der Photosynthese „stehlen“ konnte. Alkenone sind in der Natur weit verbreitet und können leicht Elektronen aufnehmen und abgeben. Die Forscher verwendeten eine Technik namens ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie, um zu untersuchen, wie sich Chinone in photosynthetischen Cyanobakterien verhalten.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat den Vorgang der Photosynthese in lebenden Zellen auf einer ultraschnellen Zeitskala von einer millionstel Millionstel Sekunde untersucht. Trotz umfangreicher Forschung birgt die Photosynthese noch immer unentdeckte Geheimnisse. Mithilfe ultraschneller Spektroskopietechniken entdeckte das Team, dass Chemikalien in viel früheren Stadien als bisher angenommen Elektronen aus molekularen Strukturen extrahieren, die an der Photosynthese beteiligt sind. Diese „Neuverdrahtung“ kann den Umgang des Prozesses mit überschüssiger Energie verbessern und neue, effiziente Wege zur Nutzung dieser Energie schaffen. Bildnachweis: Tommy Peake

„Niemand hatte richtig untersucht, wie dieses Molekül in einem so frühen Stadium der Photosynthese mit den Mechanismen der Photosynthese interagiert: Wir dachten, wir würden eine neue Technik anwenden, um zu bestätigen, was wir bereits wussten“, sagte Zhang. „Stattdessen haben wir einen völlig neuen Weg gefunden und die Blackbox der Photosynthese ein wenig geöffnet.“

Unter Verwendung ultraschneller Spektroskopie zur Überwachung der Elektronen stellten die Forscher fest, dass das Proteingerüst, in dem die anfänglichen chemischen Reaktionen der Photosynthese stattfinden, „undicht“ ist, sodass Elektronen entweichen können. Dieses Versickern kann Pflanzen helfen, sich vor Schäden durch helles oder schnell wechselndes Licht zu schützen.

„Die Physik der Photosynthese ist unglaublich beeindruckend“, sagte Co-Erstautor Tomi Baikie vom Cavendish Laboratory in Cambridge. „Normalerweise arbeiten wir mit Materialien höherer Ordnung, aber die Beobachtung des Ladungstransports durch Zellen eröffnet wunderbare Möglichkeiten für neue Entdeckungen darüber, wie die Natur funktioniert.“

sagte Co-Erstautorin Dr. Laura Way, die die Arbeit in der Abteilung für Biochemie durchgeführt hat, die jetzt an der Universität von Turku, Finnland, ansässig ist. „Die Tatsache, dass wir nicht wussten, dass dieser Weg existiert, ist aufregend, weil wir ihn nutzen können, um mehr Energie aus erneuerbaren Energien zu gewinnen.“

In der Lage zu sein, Fracht früh im Photosyntheseprozess zu extrahieren, sagen die Forscher, könnte den Prozess effizienter machen, wenn Photosynthesewege manipuliert werden, um sauberen Kraftstoff aus der Sonne zu erzeugen. Darüber hinaus könnte die Fähigkeit, die Photosynthese zu regulieren, dazu führen, dass Pflanzen intensiverer Sonneneinstrahlung besser standhalten könnten.

„Viele Wissenschaftler haben versucht, Elektronen von einem früheren Punkt in der Photosynthese zu extrahieren, aber sie sagten, dass dies nicht möglich sei, weil die Energie im Proteingerüst vergraben ist“, sagte Zhang. „Die Tatsache, dass wir es in einer früheren Operation stehlen konnten, ist erstaunlich. Zuerst dachten wir, wir hätten einen Fehler gemacht: Es hat eine Weile gedauert, bis wir uns davon überzeugt hatten, dass wir es getan hatten.“

Der Schlüssel zu der Entdeckung war die Verwendung ultraschneller Spektroskopie, die es den Forschern ermöglichte, den Energiefluss in lebenden photosynthetischen Zellen im Femtosekundenbereich zu verfolgen – ein Tausendstel einer Billionstel Sekunde.

„Die Verwendung dieser ultraschnellen Methoden hat es uns ermöglicht, mehr über die frühen Ereignisse in der Photosynthese zu verstehen, von denen das Leben auf der Erde abhängt“, sagte Co-Autor Professor Christopher Howe von der Abteilung für Biochemie.

Referenz: „Photosynthese neu verdrahtet auf einer Pikosekunden-Zeitskala“ von Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao und Jenny Zhang, 22. März 2023, hier erhältlich. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Die Forschung wurde teilweise vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), dem Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) unterstützt und ist Teil des UK Research and Innovation (UKRI) sowie des Winton Program for Sustainability Physics at die Universität. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, European and International Fund und EU Horizon 2020 Research and Innovation Programme Jenny Zhang ist David Phillips Fellow am Department of Chemistry und Fellow des Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie ist NanoFutures Fellow am Cavendish Laboratory. Laura Way ist Postdoctoral Fellow an der Novo Nordisk Foundation, University of Turku.