Skift af spor:Vende elektronernes kurs gennem naturens solceller

Tænk på et tog, der kommer ned ad skinnerne til et skiftepunkt, hvor det kunne køre enten til højre eller venstre - og det kører altid til højre.

Fotosyntetiske organismer har et lignende skiftepunkt. Efter at sollys er absorberet, energi overføres hurtigt til et protein kaldet reaktionscenteret. Fra dette tidspunkt, elektronerne kunne bevæge sig enten til en A-gren (eller "højre spor") sæt af molekyler, eller til en B-gren ("venstrespor") sæt af identiske molekyler.

Ny forskning fra Washington University i St. Louis og Argonne National Laboratory lokker elektroner ned ad sporet, som de typisk ikke rejser - fremmer forståelsen af ​​de tidligste lysdrevne begivenheder i fotosyntesen. Resultaterne blev offentliggjort 31. december i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

"I det bakterielle reaktionscenter, en elektron går til A-grenen af ​​molekyler 100 % af tiden. Vi har fået det til at gå til B-grenmolekylerne 90% af tiden, " sagde Christine Kirmaier, forskningsprofessor i kemi i kunst og videnskab.

"Trods alt, hvis du tror, ​​du forstår, hvordan toget og skinnerne fungerer, hvorfor skulle du ikke kunne få toget til at gå til venstre i stedet for til højre? Det er i bund og grund det, vi har gjort, " sagde Kirmaier.

"Hvorfor to spor har udviklet sig er stadig et åbent spørgsmål, men evnen til at kontrollere hvilket spor der bruges er spændende, " sagde Philip D. Laible, en biofysiker i biovidenskabsafdelingen ved Argonne National Laboratory og en anden hovedforfatter på papiret.

"Vi vil gerne gøre skiftet mellem dem til et mere velforstået fænomen, så vi let kan lede elektroner (undskyld ordspillet) til enhver destination i en biologisk proces, sagde han. Lige nu, vi kontrollerer egenskaber, der gør det muligt for elektroner at krydse en biologisk membran - det første skridt i at lave energi fra sollys i denne organisme."

Omstrukturering af en sti

Planter, alger og fotosyntetiske bakterier omdanner sollysets energi til ladningsseparerede enheder, som de bruger til at drive livsprocesser på Jorden. Og de gør det på en meget specifik måde:Reaktionscentrene i disse organismer har to spejlbillede-lignende arrangementer af protein- og pigment-kofaktorer, A- og B-siden. Kun én af disse kæder er aktiv - A-siden - mens B-siden er tavs.

Kirmaier, med samarbejdspartner Dewey Holten, professor i kemi ved Washington University, og teamet ved Argonne National Laboratory har designet mange iterationer af fotosyntetiske mutanter med det mål at opnå ladningsadskillelse ved hjælp af B-grenen i stedet. Den nye forskning genskaber en vej i en lilla fotosyntetisk bakterie, en af ​​naturens solceller.

"Ved hjælp af molekylærbiologi, vi har ændret aminosyrerne omkring pigmenterne for at prøve at finde den magiske kombination til at få B-grenen til at fungere, " hun sagde.

Spillet skulle lave strukturelle ændringer, der de-tuner, eller gøre mindre optimal, elektronoverførsel langs A-siden eller den normale vej - og derefter, på samme tid, fremskynde reaktionerne langs B-siden.

Forskerne var i stand til at optrappe denne trial-and-error-proces ved at teste alle mulige aminosyrer på et specifikt målsted på A- eller B-siden, at finde en eller flere, der forbedrer B-sidens udbytte. De bar derefter det "hit" frem i mutantbaggrunden for at sondere det næste målsted, og så videre.

"Det var uventet, " sagde Kirmaier. "Vi valgte et sted, og i en af ​​vores bedste mutante baggrunde, placerede alle 20 aminosyrer der - og en af ​​dem gav os et 90% udbytte. "

"Dette er en gennembrudspræstation og noget, som [alle i] feltet aktivt har forsøgt at finde ud af i årtier - lige siden vi første gang så de to spor i en højprofileret strukturundersøgelse i Nature for næsten 35 år siden, "sagde Deborah K. Hanson fra biovidenskabsdivisionen, Argonne National Laboratory, en anden hovedforfatter af PNAS papir.

Genovervejelse af fotosyntesens historie

Det nye værk belyser grundlæggende struktur-funktionsprincipper, der styrer effektiv, lysinduceret elektronoverførsel.

Denne viden kan hjælpe med design af biohybride og bioinspirerede systemer til energikonvertering og lagring, sagde forskerne. Resultaterne vil også fremprovokere yderligere eksperimenter og analyser.

"Resultaterne rejser mange spørgsmål om, hvad der kræves for at få ensrettet ladningsseparation, sagde Holten.

I naturen, lilla bakterier foretager indledende ladningsadskillelse med en to-trins proces, der finder sted på flere billioner af et sekund. Men holdets nye B-filialløsning får næsten samme udbytte, selvom den bruger en tandem et-trins proces, der tager 5-10 gange længere.

"I fotosyntesens oprindelige historie, måske en sådan kombination af en hurtig to-trins og langsommere et-trins-processer gav et udbytte på 80 eller 90 % – og så, over tid, det optimerede, sagde Holten.