С сегодняшними солнечными батареями, ограниченными их эффективностью (в настоящее время, больше чем 80 процентов доступной солнечной энергии потеряны как тепло), ученые изучали природу как вдохновение для лучшего понимания путем, фотосинтетические заводы и бактерии захватывают солнечный свет.«Изобретение природы фотосинтеза – единственный самый важный энергетический конверсионный процесс, ведя биосферу, и фотосинтез навсегда изменил атмосферу Земли», сказал Раймунд Фромме, объединенный преподаватель исследования в Центре Института Биодизайна ASU Прикладной Структурной Биологии и в Школе Молекулярных Наук.Больше чем 3 миллиарда лет назад у нашей планеты была атмосфера без кислорода. В это время природа выяснила способ захватить солнечный свет и преобразовать его еда, чтобы использовать в своих интересах этот постоянный источник энергии.
Теперь, исследовательская группа во главе с Fromme получила важное новое понимание, решив с почти атомной ясностью, самой первой основной мембранной структурой белка у самой простой известной фотосинтетической бактерии, под названием Heliobacterium modesticaldum (Гелиос был греческим богом солнца).Решая сердце фотосинтеза в этой любви солнца, живущей в почве бактерии, исследовательская группа Фромма получила фундаментальное новое понимание ранней эволюции фотосинтеза, и как этот жизненный процесс отличается между системами заводов.Их открытие предоставляет ученым совершенно новый шаблон для того, чтобы заложить основу для органического дизайна солнечной батареи, известного как «искусственные листья» для солнечной энергии или возможных возобновляемых приложений биотоплива.
Результаты появляются в сегодняшней проблеме Науки.Природа знает лучше всего
ASU долго был давним лидером исследования в фотосинтезе, возвращаясь к его первому десятилетию как исследовательский университет в 1970-х. Это было естественное пригодное для ученых, привлеченных к уникальной красоте пустыни Сонора, которая, с ее 300 – плюс дни ежегодного солнечного света, является просто лучшим местом в стране, чтобы захватить солнечную энергию.
Солнечные батареи жизни, которые ученые называют фотосистемами, используются растениями, морскими водорослями и фотосинтетическими бактериями как невероятно эффективная система для завоевания почти каждого доступного фотона света, чтобы вырасти и процветать, заполняя почти каждый укромный уголок и трещину на земле.Fromme – часть многочисленной структурной исследовательской группы биологии в ASU, кто постоянно получает лучшее понимание, снимая ключевые белки, которые работают в центрах реакции фотосинтеза, чтобы помочь превратить свет в энергию.
«К действительно и полностью понимают фотосинтез, нужно следовать за процессом преобразования света в химическую энергию», сказал Фромм. «Это – одна из самых быстрых химических реакций, когда-либо изученных, который является частью того, что делает его настолько трудно, чтобы учиться и понять».Временные рамки фотосинтеза превращают вспышку молнии в медлительный темп для сравнения.
Реакции фотосинтеза происходят в масштабе пикосекунд, который является миллионным из секунды. Пикосекунда к одной секунде, как одна секунда к 37 000 лет.Но структурные биологи ASU используют еще более сильную технологию рентгена для одной дневной выгоды до света, захватывая изображения стоп-кадра кристаллизованных белков в течение целого процесса.
Молния в бутылкеЧтобы изучить фотосинтез, Фромм исследовал фотосинтез в его самой простой форме в heliobacteria, которые были сначала найдены в грязных почвах около горячих источников.
Одноклеточные heliobacteria более просты, все же существенно отличаются, чем заводы. Например, во время фотосинтеза, вместо того, чтобы использовать воду как заводы, heliobacteria используют сероводород. Они растут без кислорода, и после фотосинтеза, испускают тухлое яйцо, чувствующее запах газа серы вместо кислорода.Heliobacteria использовали свое уникальное место, чтобы успешно вырезать их собственную экологическую нишу, потому что они используют почти инфракрасную длину волны света для фотосинтеза, который идеально подходит для слабого освещения, найденного в местах как рисовых полях мутной воды или Исландия.
Заводы просто не могут конкурировать.Ученые хотели понять, как heliobacteria достигают этого.Реакция на действие
В основе фотосинтеза центр реакции; это – тщательно продуманный комплекс пигментов и белков, которые превращают свет в электроны, чтобы привести клетку в действие.Хлорофилл – пигмент, который делает заводы зелеными. На заводах хлорофилл захватывает энергию солнца и использует ее, чтобы сделать сахар из углекислого газа от воздуха и воды.Фотосинтез Oxygenic на более высоких растениях, зеленых морских водорослях и cyanobacteria использует Фотосистему I (PSI), который является ДИСТАНЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Типа I и Фотосистемой II (PSII), который является ДИСТАНЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Типа II.
Они сотрудничают, чтобы извлечь электроны от воды до ferredoxin и наконец уменьшить энергоноситель NADP + к NADPH.Напротив, anoxygenic фототрофические бактерии, такие как Heliobacterium modesticaldum, используют единственное ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ, чтобы вести циклический путь передачи электрона (ET), который создает силу протонного повода через мембрану, которая используется, чтобы стимулировать выработку энергии и метаболизм синтезом ATP.Центры реакции прилагают этих участников как клетка, чтобы эффективно захватить всю доступную энергию и фотоны света, объединяя все элементы в той же самой близости.Центры реакции (RC) приезжают в два главных аромата кофакторов: железо (Тип I) или хинон (Тип II).
Heliobacteria имеют самый простой известный центр реакции и используют уникальные хлорофиллы.Открытие heliobacteria, ведомых к идентификации уникальных особенностей для ее ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ (в 1990-х, бывший стул химии ASU Роберт Блэнкеншип сначала возглавил группу, чтобы помочь упорядочить и характеризовать heliobacteria RCs).ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ heliobacteria было предложено, чтобы быть самой близкой вещью, осознающей самого раннего общего предка всех фотосинтетических центров реакции, когда приблизительно 3 миллиарда лет назад ранняя Земля содержала серу богатые моря и мало кислорода.
Но успешно очищение ЕМКОСТНО-РЕЗИСТИВНОГО белка и рост кристаллов, необходимых для экспериментов рентгена, могут быть долгим, трудным процессом.В частности, научно-исследовательская работа Фромма была начата семь лет назад, когда постдокторский исследователь Иосифина Сарру сначала улучшила подготовку heliobacterial центра реакции.
После многих начальных испытаний кристаллизации был найден рентген, дифрагировавший кристаллическое обвинение.«Это – момент, которого ждет crystallographer», сказал Фромм, объяснив годы, которые может потребоваться, чтобы вырастить прекрасный кристалл белка, подходящий для исследований рентгена.Два к тангоКороткий после этих ободрительных результатов, Кристофер Джисрил присоединился к команде и улучшил качество дифракции до заключительного качества 2.2 Ангстремов.
Однако, исследовательская группа не могла решить кристаллографическую структуру.Эта пауза занимала два года до августа 2016. Затем наконец, прорыв случился.
В этом пункте «началось волнующее открытие на неизведанной территории, поскольку каждый новый хлорофилл приветствовали», Фромм помнил, и «доказал, что общее начальное предсказание на ДИСТАНЦИОННОМ УПРАВЛЕНИИ heliobacteria было неправильным».Используя свет рентгена в Продвинутом Источнике света в Беркли, Калифорния и beamline в Продвинутом Источнике Фотона в Argonne National Lab, Иллинойс, группа Фромма теперь визуализировала heliobacteria RCs в самый первый раз в почти атомной, резолюции с 2.2 ангстремами (ангстрем – ширина водородного атома).Они нашли почти прекрасную симметрию в heliobacter ДИСТАНЦИОННОМ УПРАВЛЕНИИ.Во-первых, состав аминокислоты пары белков был идентичен, назван гомодимером.
Это было самым первым разом, когда ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ, как находили, содержало просто единственную пару гомодимеров белка, чтобы стимулировать фотосинтез.Наконец, они нанесли на карту приблизительно 60 хлорофиллов на ЕМКОСТНО-РЕЗИСТИВНЫЙ комплекс белка, который был наконец путем более высокое количество, чем его коллега Джон Голбек из Университета Pennstate, который был частью предсказанного исследования.
Основной полипептидный регулятор освещенности и две маленьких координаты 54 подъединиц (bacterio) хлорофиллы и 2 каротиноида, которые захватывают и передают энергию ядру в центре реакции, который выполняет разделение обвинения, стабилизацию и передачу электрона, это состоит из 6 (bacterio) хлорофиллов и группы железной серы; в отличие от других центров реакции, это испытывает недостаток в связанном хиноне.Таким образом структура поддерживает гипотезу, что перенос электронов в HbRC не требует промежуточного кофактора.«Структуры с высоким разрешением были получены из гетеродимерного многократного (больше чем один белок) RCs (Фиолетовое ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ бактерий, PSI и PSII), но никакая гомодимерная ЕМКОСТНО-РЕЗИСТИВНАЯ структура не была решена до сих пор», сказал Фромм.
Древнее происхождение фотосинтезаКроме того, со взрывом технологии упорядочивающего ДНК, и с потенциальной способностью понять все гены и белки через жизнь, они также проследили эволюцию фотосинтеза RCs.Этот центр реакции, возможно, породил всех других, приведя к большей сложности по эрам?
В эволюционных терминах это означает, что ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ heliobacteria, возможно, сначала прибыло из единственного гена.«Эта структура сохраняет особенности наследственного центра реакции, обеспечивая понимание эволюции фотосинтеза», объясняет коллега Фромма Кевин Реддинг. «От новых структур мы имеем, это, конечно, имело бы смысл для востребованного случая».Затем ген, возможно, был дублирован, чтобы увеличить эволюционную сложность.«Гомодимерное ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ почти наверняка предшествовало гетеродимерному RCs в эволюции», сказал Фромм.
Дублирование основного ЕМКОСТНО-РЕЗИСТИВНОГО гена подъединицы, сопровождаемого расхождением этих двух генов, допускало бы преобразование гомодимерного к гетеродимерному ДИСТАНЦИОННОМУ УПРАВЛЕНИЮ. Это, вероятно, произошло по крайней мере в трех отдельных случаях, приведя к созданию всего различного и более сложного центра реакций, найденного у других фотосинтетических бактерий и заводов."Солнце поднимется снова
Группа Фромма взволнована потенциалом новых результатов. Такое понимание могло однодневные исследовательские группы помощи во всем мире строить искусственный центр фотосинтеза, который мог помочь разработать гибридные органические солнечные батареи следующего поколения, возможно используя heliobacter, чтобы повысить поглощение света и начать повышать эффективность солнечной энергии или стимулировать солнечную возобновляемую технологию биотоплива.
В конце концов, солнце поднимется снова завтра, ждание более умных технологических ученых может выдумать, чтобы захватить полный потенциал солнечных.