Mekanismen bag de elektriske ladninger genereret af fotosyntese

Fotosyntese kræver en mekanisme til at producere store mængder kemisk energi uden at miste den oxidative kraft, der er nødvendig for at nedbryde vand. Et japansk forskerhold har klarlagt en del af denne mekanisme, markerer endnu et skridt mod den potentielle udvikling af kunstig fotosyntese. Resultaterne blev offentliggjort den 27. februar i online-udgaven af Journal of Physical Chemistry Letters .

Holdet blev ledet af professor KOBORI Yasuhiro (Kobe University Molecular Photoscience Research Center) og ph.d.-studerende HASEGAWA Masashi (Graduate School of Science) med lektor MINO Hiroyuki (Nagoya University Graduate School of Science).

Under vandspaltningsreaktionen i fotosyntesen, planter producerer ilt ved at omdanne solenergi til kemisk energi, leverer den nødvendige energikilde for deres overlevelse. Denne reaktion udføres af et proteinkompleks i kloroplaster (placeret i blade) kaldet fotosystem II-komplekset (se figur 1).

I 2015 lykkedes det for professor Koboris forskerhold at analysere de elektroniske interaktioner og 3-dimensionelle placering af den indledende ladningsadskillelse produceret direkte efter fotoreaktion i det fotosyntetiske reaktionscenter af lilla bakterier, som ikke forårsager oxidationspotentialet for vandspaltning. Imidlertid, i fotosystem II-komplekset for højere planter, konfigurationen af ​​den indledende ladningsadskillelsestilstand var uklar, og det var et mysterium om, hvordan det førte til en effektiv vandspaltningsreaktion, samtidig med at den høje oxidative kraft bevaredes.

Forskerne udtog thylakoidmembraner (hvor fotoreaktionen finder sted i fotosyntesen) fra spinat, tilsat et reduktionsmiddel, og bestrålede prøverne. Dette gjorde det muligt for dem at detektere mikrobølgesignaler fra den indledende ladningsadskillelsestilstand med en nøjagtighedsgrad på 10 milliontedele af et sekund (se figur 3a). De udviklede en metode til at analysere mikrobølgesignalerne ved hjælp af spinpolarisationsbilleddannelse. For første gang var det muligt at udføre 3-D view-analyse af konfigurationen af ​​den elektriske ladning produceret direkte efter eksponering for lys som et reaktivt mellemprodukt. Dette blev gjort med en nøjagtighed inden for 10 milliontedele af et sekund, som konsekutiv fotografering (se figur 3b). Baseret på denne visualisering, de kvantificerede også den elektroniske interaktion, der opstår, når elektronbaner overlapper for molekyler med elektriske ladninger (figur 3c).

Den indledende elektriske ladningsadskillelsesstruktur, der blev afklaret ved denne analyse, var ikke meget forskellig fra strukturen før reaktionen, men billedanalysen viste, at den positive elektriske ladning, der forekom i pigmentet som et reaktivt mellemprodukt, eksisterede uforholdsmæssigt i klorofyl-enkeltmolekyler (figur 3b, c). Det tyder på, at der er stærk stabilisering forårsaget af elektrostatisk interaktion mellem ladningerne.

Det er blevet afsløret, at returneringen af ​​den negative ladning er undertrykt, da overlapningen mellem elektronbaner er stærkt begrænset af den isolerende effekt af vinylgruppeterminalen. Det betyder, at det bliver muligt at bruge de høje oxidationsevner af den positive ladning i klorofyl (PD1) til den efterfølgende oxidative nedbrydning af vand.

Baseret på disse resultater, forskere har låst op for en del af mekanismen til effektivt at producere store mængder kemisk energi uden tab af den oxidative kraft, der er nødvendig for at spalte vand i fotosyntesen. Disse resultater kan hjælpe med at designe et "kunstigt fotosyntesesystem", der kan give en ren energikilde ved effektivt at omdanne solenergi til store mængder elektricitet og brint. Anvendelsen af ​​dette princip kunne bidrage til at løse problemer med energi, miljø og fødevaremangel.