En fersk studie publisert i Naturkommunikasjon, frukten av det felles arbeidet til CNR Nano of Modena, University of L’Aquila, Princeton University og Max Planck Institute, har foreslått en ny modell for å endelig avklare mekanismen som planter de forvandler lys (lysenergi) til kjemisk energi i løpet av fotosyntese. I årevis har dette bestemte stadiet av prosessen vært en kilde til vitenskapelig debatt på grunn av eksperimentelle data om hastigheten på prosessen som så ut til å motsi hverandre. I dag, takket være bruken av beregningsmodeller og kvantedynamikkberegninger, ser det ut til at forskere har løst gåten ved å avsløre at elektronoverføringsprosessen ikke er delt inn i flere baner, men følger bare én vei, klorofyllens. Det uventede gjennombruddet var å oppdage at det er de raske bevegelsene til proteinstrukturen og orienteringen til vannmolekyler intern for å justere hastighet og effektivitet av denne energistrømmen.
Fotosyntese og dens to faser
Med fristen fotosyntese betyr prosessen med å transformere lysenergi til kjemisk energi etter følgende formel: 6CO₂ + 6H₂O + sollys → C₆H₁₂ELLER₆ + 6O. Den fotosynteseprosessen er delt inn i to distinkte, men sterkt beslektede faser:
- Lys fase: Strålende energi (som kommer fra solstrålene) brukes til å produsere kjemisk energi.
- Mørk fase: produktene oppnådd fra den lette fasen brukes til å transformere uorganiske forløpere (f.eks. karbondioksid) til organiske forbindelser (f.eks. sukker).
For å forstå omfanget av oppdagelsen, må vi ta et skritt tilbake og forstå hvordan planter fanger sollys. Alt skjer takket være fotosystemermultiproteinkomplekser sammensatt av to hovedelementer som virker synergistisk:
- DE’antenne: den består av pigment-proteinkomplekser og formålet er å samle lys og kanalisere det mot reaksjonssenteret.
- De reaksjonssenter (RC): det er et pigment-proteinkompleks hvor vi finner det fotokjemisk aktive pigmentet, dvs. det som absorberer lys med en lengre bølgelengde enn antennen og fungerer som den endelige samleren for all energien som samles opp av fotosystemet. Det er akkurat her det skjer ladningsseparasjonsreaksjon som genererer kjemisk energi nødvendig for anlegget.
I planter skjer denne prosessen gjennom to fotosystemer som fungerer i serie: den Fotosystem I (PSI) og Fotosystem II (PSII). Passasjen i sentrum av den aktuelle studien er den som interesserer PSII, det vil si den som er ansvarlig for vannsplitting og oksygenproduksjon.
Den forrige vitenskapelige debatten om de to veiene: P680 og tilbehørsklorofyll
I PSII RC, seks nøkkelpigmenter (fire klorofyll og to feofytiner) samarbeider for å konvertere solenergi til elektrisk strøm gjennom elektronoverføring: i praksis, under denne prosessen, beveger et elektron seg fra ett molekyl til et annet, noe som gir opphav til en strømflyt. Til dags dato har det vitenskapelige samfunnet vært delt på hva den nøyaktige sekvensen av dette trinnet var:
- veien til P680: antok at den primære elektrondonoren var den sentrale kjernen i fotosystemet (kalt P680). Dette overførte elektronet til aksessorisk klorofyll (ChlQ1) som igjen sendte det til feofytin (PheoQ1).
- den ekstra klorofyllveien: han antok at det var det ekstra klorofyllet som først ga fra seg elektronet til feofytinet, og oksiderte. Umiddelbart etterpå grep P680 inn ved å gi fra seg elektronet sitt til det tilhørende klorofyllet for å fylle «tomrommet» og stabilisere systemet.
Det kompliserte bildet var de eksperimentelle målingene. Ved å analysere prosessen hadde de blitt oppdaget to forskjellige reaksjonshastigheter: en ekstremt rask (i størrelsesorden femtosekunder) og en mye langsommere (i størrelsesorden picosekunder). For å forklare denne forskjellen hadde eksperter antatt at planter brukte begge veier parallelt. Det var imidlertid et teoretisk kompromiss som lot mange tvil være åpne.
Oppdagelsen i den nye studien
Studien publisert på Naturkommunikasjon undergraver hypotesen om de to parallelle banene. Gjennom beregningssimuleringer og kvantedynamikkberegninger demonstrerte forskerne det den første teorien, P680-ruten, er termodynamisk ugunstig ved romtemperatur og faktisk det påvirker ikke prosessen.
Ladningsseparasjon skjer derfor gjennom en enkelt hovedrute: tilbehørsklorofyll gir elektronet til feofytinog først etterpå griper P680 inn for å fylle det elektroniske gapet.
Den eksperimentelt detekterte hastighetsvariasjonen avhenger ikke av forskjellige kjemiske veier, men av fysiske svingninger av miljøet rundt som påvirker ruten:
- De raske bevegelsene til proteinet (femtosekund): de veldig raske termiske vibrasjonene til proteinstrukturen endrer kontinuerlig avstandene og den gjensidige orienteringen til molekylene, slik at elektronet kan hoppe ultraraskt.
- Vannets sakte bevegelser (picoseconds): Vannkanaler er tilstede i fotosystemet og omorganiseringen og orienteringen av disse vannmolekylene skjer på lengre tidsskalaer. Denne bevegelsen endrer det elektrostatiske feltet rundt pigmentene, og fungerer som en regulator som bremser eller fremskynder elektronoverføring.
Nyheten i denne studien ligger i dette funksjonell kobling: vannmolekyler er ikke bare kjemiske elementer som brukes til produksjon av oksygen, men de bidrar aktivt til prosessen ved å regulere hastighet og effektivitet hvorved sollys omdannes til kjemisk energi.
