Улучшение нашего понимания комплексов антенны могло помочь ученым разработать искусственные системы, которые подражают листьям, превращая солнечный свет в электричество или топливо. Это могло также положить начало тому, что оно сделало процесс из фотосинтеза на растениях, морских водорослях и микробах более эффективным. Эта технология могла увеличить урожаи этих организмов, потенциально делая биотопливо менее дорогим и легче произвести.
Чтобы расширить наше понимание фотосинтеза, Офис Министерства энергетики (DOE) Науки (SC) поддерживает исследование в Photosynthetic Antenna Research Center (PARC), энергетическом Пограничном Научно-исследовательском центре САМКИ. Исследователи в PARC учатся, как комплексы антенны организуют свои компоненты и защищают себя от повреждения.
От фотона до фотохимииВесь фотосинтез начинается с единственного шага – фотон света поражает пигмент. Пигмент (хлорофилл на растениях и морских водорослях; bacteriochlorophyll у некоторых бактерий), реагирует на фотон, бросая электрон.
Тот электрон тогда передан в центр реакции, где это производит продукты, которые в конечном счете приводят растительную клетку в действие.Фотосинтетический комплекс антенны – коллекция пигментов и белков, которые захватывают и направляют энергию от света. Комплексы антенны очень разнообразны, с их размером, структурами, и даже типами пигментов, отличающихся между организмами.«Они удивительно отличаются», сказал Роберт Блэнкеншип, преподаватель в Вашингтонском Университете и директор PARC. «Как только мы понимаем их, мы можем привередничать [особенности], используя их в качестве вдохновения для синтетических систем».
Зеленые бактерии серы просвещают фотосинтетическое исследованиеЗеленые бактерии серы или Chlorobiaceae, включают одну из самых уникальных семей фотосинтетических организмов. Эти специфические бактерии живут глубоко в отложениях водоемов, озер и океанов, где они сталкиваются только с несколькими фотонами света день.
В этой окружающей среде бактерии редко подвергаются воздействию кислорода и не производят его.Но в чем зеленые бактерии серы испытывают недостаток в воздействии света, они восполняют в эффективности. У них есть два комплекса антенны, которые сотрудничают: chlorosomes и комплекс Fenna-Matthews-Olson (FMO).
Chlorosomes – самые большие известные фотосинтетические существующие комплексы. В то время как некоторые типы комплексов антенны состоят только из небольшого количества дюжины пигментов, chlorosomes составлены из целых 250 000 молекул пигмента. Кроме того, chlorosomes перемещают энергию намного быстрее, чем их коллеги на растениях и морских водорослях.
Как исследователи SC-supported сказали в статье в Новом Журнале Химии, «Chlorosomes – возможно, самые захватывающие получающие свет антенны Природы».Зеленый необычный характер бактерий серы делает их идеальными предметами для фотосинтетического исследования. Их комплексы антенны и легче для исследователей построить версии, чем те на заводах и иметь особенности, которые могли быть ценными для будущих технологий.Изучение, как комплексы антенны собираются
Как металлический скелет, поддерживающий окна оранжереи, комплексам антенны заводов и морских водорослей сделали леса белков. Эти леса держат пигменты в месте и управляют, как пигменты передают энергию друг между другом и центром реакции.
Однако chlorosomes у зеленых бактерий серы испытывают недостаток в этих лесах. Вместо этого пигменты организуют себя в стеки.
Поскольку эта самоорганизация более проста, чем леса белка, для ученых может быть легче скопировать.Но потому что у каждого chlorosome есть уникальная структура, их трудно изучить.
Чтобы решить этот вопрос, ERFC-поддержанные исследователи развивали видоизмененные формы зеленых бактерий серы. Пигменты в этих измененных формах распределялись более последовательно, чем те в естественных. Ученые нашли что маленькие изменения в пигменте chlorosome «стандартные блоки» ведомый к совсем другим структурам.
Это похоже на игру Тетрис – каждый набор форм приводит к различному образцу укладки их.Ученые из партнеров PARC штат Северная Каролина, Вашингтонский Университет и Калифорнийский университет, Риверсайд строит их собственные молекулы пигмента и построил 30 различных хлоринов (тип пигмента) с нуля. Добавляя и удаляя химические группы, исследователи могли «настроить» особенности пигментов, включая способность сложить себя.
Исследователи могут быть в состоянии использовать эту технику, чтобы создать синтетические получающие свет системы.«Мы начинаем понимать на молекулярном уровне, как эта естественная система соединена», сказал Блэнкеншип.
Ни слишком много, ни слишком мало СолнцаТочно так же, как люди должны защитить себя от солнца, поэтому сделайте растения, морские водоросли и бактерии.
Даже при том, что фотосинтетическим организмам нужен свет, чтобы вырасти, слишком много энергии может повредить их.Когда пигмент хлорофилла обычно поглощает свет, он бросает электрон к центру реакции.
Однако, если центр реакции слишком оживленный, проводя фотосинтез, он не может принять его. Вместо этого пигмент передает энергию специализированному набору белков и пигментов, которые могут избавиться от него. Исследователи хотят лучше понять этот процесс, таким образом, они могут развивать заводы, которые максимизируют сумму света, используемого, минимизируя повреждение.Зеленые бактерии серы, определенно Chlorobaculum, еще раз предлагают уникальную перспективу.
Вашингтонские Университетские исследователи учились, как комплекс антенны Члоробэкулума FMO защищает себя. В отличие от обычных заводов, кислород повреждает центры реакции Члоробэкулума.
Чтобы предотвратить вред, бактерия замедляет фотосинтез и когда есть слишком много солнца и когда кислород присутствует.Однако ученые знали, что комплекс Члоробэкулума FMO не использует ни одного из пигментов, которые обычно защищают растения, морские водоросли или бактерии. Исследуя комплекс, они ожидали находить немного необычной аминокислоты, стандартный блок белка.Вместо этого они нашли два абсолютно нормальных цистеина, одну из 20 хорошо понятых аминокислот.
Точно так же, как пигменты, которые обычно избавляются от энергии, эти аминокислоты, принимают электроны. Однако они только делают так в присутствии кислорода. Кроме того, в то время как другие механизмы действуют как переключатель вкл/выкл фотосинтеза, они действуют больше как регулировка громкости, которую клетка может повернуть вверх и вниз.Используя это новое понимание, ученые могут быть в состоянии изменить бактерии, которые делают азот из почвы доступным для заводов, чтобы использовать.
Эти бактерии не терпят кислорода хорошо, таким образом улучшение их способности терпеть кислород могло увеличить урожаи зерновых культур еды и биотоплива.От самосборки до самозащиты работа ученых осветительная, как эти крошечные комплексы антенны работают в каждом зеленом листе, который Вы определяете на лесной прогулке.
Офис Науки – единственный крупнейший сторонник фундаментального исследования в физике в Соединенных Штатах и работает, чтобы обратиться к некоторым самым неотложным проблемам нашего времени.