Forskere udvikler mikroskop til at spore lysenergistrøm i fotosyntetiske celler

University of Michigan forskere har udviklet et kraftfuldt mikroskop, der kan kortlægge, hvordan lysenergi vandrer i fotosyntetiske bakterier på tidsskalaer på en kvadrilliondel af et sekund.

Mikroskopet kunne hjælpe forskere med at udvikle mere effektive organiske fotovoltaiske materialer, en type solceller, der kunne levere billigere energi end siliciumbaserede solceller.

I fotosyntetiske planter og bakterier, lys rammer bladet eller bakterierne og et system af bittesmå lyshøstende antenner sender det gennem proteiner til det, der kaldes et reaktionscenter. Her, lys er "fanget" og bliver til metabolisk energi for organismerne.

Jennifer Ogilvie, U-professor i fysik og biofysik, og hendes team ønsker at fange bevægelsen af ​​denne lysenergi gennem proteiner i en celle, og teamet har taget et skridt mod dette mål med at udvikle dette mikroskop. Deres undersøgelse er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Ogilvie, kandidatstuderende Yassel Acosta og postdoktor Vivek Tiwari arbejdede sammen om at udvikle mikroskopet, som bruger en metode kaldet todimensionel elektronisk spektroskopi til at generere billeder af energimigration inden for proteiner under fotosyntesen. Mikroskopet viser et område på størrelse med en femtedel af en menneskelig blodcelle og kan fange begivenheder, der tager en periode på en kvadrilliondel af et sekund.

To-dimensionel spektroskopi virker ved at aflæse energiniveauerne i et system på to måder. Først, den læser bølgelængden af ​​lys, der absorberes i et fotosyntetisk system. Derefter, den læser bølgelængden af ​​lys, der registreres i systemet, gør det muligt at spore energi, når den strømmer gennem organismen.

Instrumentet kombinerer denne metode med et mikroskop for at måle et signal fra næsten en million gange mindre mængder end før. Tidligere målinger afbildede prøver i gennemsnit over sektioner, der var en million gange større. Gennemsnit over store sektioner tilslører de forskellige måder energi kan bevæge sig inden for det samme system.

"Vi har nu kombineret begge disse teknikker, så vi kan komme til virkelig hurtige processer samt virkelig detaljerede oplysninger om, hvordan disse molekyler interagerer, "Sagde Ogilvie." Hvis jeg ser på en nanoskopisk region af min prøve versus en anden, spektroskopien kan se meget anderledes ud. Tidligere har Det vidste jeg ikke, fordi jeg kun fik den gennemsnitlige måling. Jeg kunne ikke lære om forskellene, hvilket kan være vigtigt for at forstå, hvordan systemet fungerer. "

Ved udviklingen af ​​mikroskopet, Ogilvie og hendes team studerede kolonier af fotosyntetiske lilla bakterieceller. Tidligere har forskere har hovedsageligt set på rensede dele af disse typer celler. Ved at se på et intakt cellesystem, Ogilvie og hendes team var i stand til at observere, hvordan et komplet systems forskellige komponenter interagerede.

Teamet undersøgte også bakterier, der var blevet dyrket under højlysforhold, svage lysforhold og en blanding af begge dele. Ved at spore lys udsendt fra bakterierne, mikroskopet gjorde dem i stand til at se, hvordan energiniveauets struktur og energistrøm gennem systemet ændrede sig afhængigt af bakteriens lysforhold.

Tilsvarende dette mikroskop kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan organiske fotovoltaiske materialer fungerer, Siger Ogilvie. I stedet for de let høstende antennekomplekser, der findes i planter og bakterier, organiske fotovoltaiske materialer har det, der kaldes "donor" -molekyler og "acceptor" -molekyler. Når lyset bevæger sig gennem disse materialer, donormolekylet sender elektroner til acceptormolekyler, producerer elektricitet.

"Vi finder måske ud af, at der er områder, hvor excitationen ikke producerer en afgift, der kan høstes, og så finder vi måske regioner, hvor det fungerer rigtig godt, "Sagde Ogilvie." Hvis vi ser på samspillet mellem disse komponenter, vi kan muligvis korrelere materialets morfologi med, hvad der fungerer godt, og hvad der ikke fungerer. "

I organismer, disse zoner opstår, fordi et område af organismen muligvis ikke modtager så meget lys som et andet område, og derfor er pakket med lyshøstende antenner og få reaktionscentre. Other areas might be flooded with light, and bacteria may have fewer antennae—but more reaction centers. In photovoltaic material, the distribution of donor and receptor molecules may change depending on the material's morphology. This could affect the material's efficiency in converting light into electricity.

"All of these materials have to have different components that do different things—components that will absorb the light, components that will take that the energy from the light and convert it to something that can be used, like electricity, " Ogilvie said. "It's a holy grail to be able to map in space and time the exact flow of energy through these systems."