إن التمثيل الضوئي المبتكر “هاك” يمهد الطريق لاختراقات الطاقة المتجددة

قام الباحثون “باختراق” المراحل الأولى من[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=p-c5wvr_U-I
على الرغم من أن التمثيل الضوئي عملية معروفة على نطاق واسع وتمت دراستها على نطاق واسع ، فقد اكتشف باحثو جامعة كامبريدج أنها لا تزال تحمل أسرارًا خفية. من خلال استخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، وجدوا أن استخراج الإلكترون من الهياكل الجزيئية المسؤولة عن التمثيل الضوئي يحدث في مراحل مبكرة مما كان يُفترض سابقًا. يمكن أن يؤدي هذا “إعادة الأسلاك” لعملية التمثيل الضوئي إلى إدارة أفضل للطاقة الزائدة وتطوير طرق جديدة أكثر كفاءة لتسخير إمكاناتها. الائتمان: مايري آيرس

قالت الدكتورة جيني زانج من قسم الكيمياء يوسف حميد في كامبريدج ، والتي نسقت البحث: “لم نكن نعرف الكثير عن التمثيل الضوئي كما كنا نعتقد ، ومسار نقل الإلكترون الجديد الذي وجدناه هنا مثير للدهشة تمامًا”.

في حين أن التمثيل الضوئي هو عملية طبيعية ، إلا أن العلماء كانوا يدرسون أيضًا كيف يمكن استخدامه للمساعدة في معالجة أزمة المناخ ، من خلال محاكاة عمليات التمثيل الضوئي لتوليد وقود نظيف من ضوء الشمس والماء ، على سبيل المثال.

كانت تشانغ وزملاؤها يحاولون في الأصل فهم سبب قدرة جزيء على شكل حلقة يسمى كينون على “سرقة” الإلكترونات من عملية التمثيل الضوئي. الكينونات شائعة في الطبيعة ، ويمكنها قبول الإلكترونات والتخلي عنها بسهولة. استخدم الباحثون تقنية تسمى التحليل الطيفي للامتصاص العابر فائق السرعة لدراسة كيفية تصرف الكينونات في البكتيريا الزرقاء الضوئية.

درس فريق دولي من العلماء عملية التمثيل الضوئي في الخلايا الحية بمقياس زمني فائق السرعة يبلغ جزء من المليون من المليون من الثانية. على الرغم من البحث المكثف ، لا يزال التمثيل الضوئي يحمل أسرارًا غير مكتشفة. من خلال استخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، اكتشف الفريق أن المواد الكيميائية تستخرج الإلكترونات من الهياكل الجزيئية المشاركة في عملية التمثيل الضوئي في مراحل أبكر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. يمكن أن يعزز هذا “إعادة الأسلاك” من معالجة العملية للطاقة الزائدة ويولد طرقًا جديدة وفعالة لتسخير قوتها. الائتمان: تومي بيكي

قال تشانغ: “لم يدرس أحد بشكل صحيح كيفية تفاعل هذا الجزيء مع آليات التمثيل الضوئي في مثل هذه المرحلة المبكرة من عملية التمثيل الضوئي: كنا نظن أننا نستخدم تقنية جديدة لتأكيد ما كنا نعرفه بالفعل”. “بدلاً من ذلك ، وجدنا مسارًا جديدًا تمامًا ، وفتحنا الصندوق الأسود لعملية التمثيل الضوئي قليلاً.”

باستخدام التحليل الطيفي فائق السرعة لمراقبة الإلكترونات ، وجد الباحثون أن سقالة البروتين حيث تحدث التفاعلات الكيميائية الأولية لعملية التمثيل الضوئي تكون “متسربة” ، مما يسمح للإلكترونات بالهروب. يمكن أن يساعد هذا التسرب النباتات على حماية نفسها من التلف الناتج عن الضوء الساطع أو المتغير بسرعة.

قال المؤلف الأول المشارك تومي بايكي Tomi Baikie ، من مختبر كافنديش في كامبريدج: “إن فيزياء التمثيل الضوئي مثيرة للإعجاب بشكل كبير”. “في العادة ، نعمل على مواد عالية الترتيب ، لكن مراقبة نقل الشحنة عبر الخلايا تفتح فرصًا رائعة لاكتشافات جديدة حول كيفية عمل الطبيعة. “

قالت المؤلفة المشاركة الأولى الدكتورة لورا واي ، التي أنجزت العمل في قسم الكيمياء الحيوية ، ومقرها الآن في جامعة توركو ، فنلندا. “حقيقة أننا لم نكن نعلم بوجود هذا المسار أمر مثير ، لأننا نستطيع تسخيره لاستخراج المزيد من الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة.”

يقول الباحثون إن القدرة على استخلاص الشحنات في مرحلة مبكرة من عملية التمثيل الضوئي ، يمكن أن تجعل العملية أكثر كفاءة عند معالجة مسارات التمثيل الضوئي لتوليد وقود نظيف من الشمس. بالإضافة إلى ذلك ، قد تعني القدرة على تنظيم التمثيل الضوئي أن المحاصيل يمكن أن تكون أكثر قدرة على تحمل أشعة الشمس الشديدة.

قال تشانغ: “حاول العديد من العلماء استخلاص الإلكترونات من نقطة سابقة في عملية التمثيل الضوئي ، لكنهم قالوا إن ذلك غير ممكن لأن الطاقة مدفونة في سقالة البروتين”. “حقيقة أنه يمكننا سرقتها في عملية سابقة أمر مذهل. في البداية ، اعتقدنا أننا ارتكبنا خطأ: استغرق الأمر بعض الوقت حتى نقنع أنفسنا بأننا فعلنا ذلك “.

كان مفتاح الاكتشاف هو استخدام التحليل الطيفي فائق السرعة ، والذي سمح للباحثين بمتابعة تدفق الطاقة في خلايا التمثيل الضوئي الحية على مقياس فيمتوثانية – جزء من ألف من تريليون من الثانية.

قال المؤلف المشارك الأستاذ كريستوفر هاو من قسم الكيمياء الحيوية: “إن استخدام هذه الأساليب فائقة السرعة سمح لنا بفهم المزيد عن الأحداث المبكرة في عملية التمثيل الضوئي ، والتي تعتمد عليها الحياة على الأرض”.

المرجع: “تم إعادة توصيل التركيب الضوئي على مقياس زمني للثواني البيكو” بقلم تومي ك.بايكي ، لورا تي واي ، جوشوا إم لورانس ، هايتس ميديبالي ، إروين ريزنر ، مارك إم نواكزيك ، ريتشارد إتش فريند ، كريستوفر جيه هاو ، كريستوف شنيديرمان ، أكشاي راو وجيني زانغ ، 22 مارس 2023 ، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05763-9

تم دعم البحث جزئيًا من قبل مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية (EPSRC) ، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية (BBSRC) وهو جزء من البحث والابتكار في المملكة المتحدة (UKRI) ، بالإضافة إلى برنامج وينتون لفيزياء الاستدامة في الجامعة. كامبردج ، وكومنولث كامبريدج ، والصندوق الأوروبي والدولي ، وبرنامج البحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي هورايزون 2020. جيني زانغ هي زميلة ديفيد فيليبس في قسم الكيمياء ، وزميلة في كلية كوربوس كريستي ، كامبريدج. Tomi Baikie هو زميل NanoFutures في مختبر كافنديش. لورا واي هي زميلة ما بعد الدكتوراه في مؤسسة نوفو نورديسك بجامعة توركو.