นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาการสังเคราะห์ด้วยแสง

สาหร่ายและแบคทีเรียสังเคราะห์แสงทำเช่นเดียวกันนี้ได้นานขึ้น ทั้งหมดนี้มีประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นที่น่าทึ่ง จึงไม่น่าแปลกใจที่นักวิทยาศาสตร์พยายามทำความเข้าใจมานานแล้วว่าพวกเขาทำสิ่งนี้ได้อย่างไร โดยหวังว่าจะใช้ความรู้นี้เพื่อปรับปรุงอุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น แผงโซลาร์เซลล์และเซ็นเซอร์ นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ซึ่งทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ร่วมงานที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์ เมื่อเร็ว ๆ นี้ ไขปริศนาส่วนสำคัญของความลึกลับเก่าแก่นี้ โดยเริ่มต้นจากเหตุการณ์เริ่มต้นที่เร็วมากซึ่งโปรตีนสังเคราะห์แสงผ่าน จับแสงและใช้เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอน Philip Laible นักชีวฟิสิกส์ของ Argonne กล่าวว่า "เพื่อที่จะเข้าใจว่าชีววิทยาเป็นเชื้อเพลิงให้กับกิจกรรมที่ฝังแน่นทั้งหมดของมันอย่างไร คุณต้องเข้าใจการถ่ายโอนอิเล็กตรอน "การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมีความสำคัญมาก นั่นคือวิธีการทำงานภายในเซลล์ให้สำเร็จ" ในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการเหล่านี้เริ่มต้นด้วยการดูดซับโฟตอนของแสงโดยเม็ดสีที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นในโปรตีน โฟตอนแต่ละตัวจะขับอิเล็กตรอนผ่านเมมเบรนที่อยู่ภายในช่องเฉพาะภายในเซลล์ Deborah Hanson นักชีวเคมีของ Argonne กล่าวว่า "การแยกประจุออกจากเยื่อหุ้มเซลล์ และการทำให้เสถียรของประจุนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากจะสร้างพลังงานที่กระตุ้นการเติบโตของเซลล์ ทีมวิจัย Argonne และ Washington University ได้รับข้อมูลเชิงลึกอันมีค่าเกี่ยวกับขั้นตอนเริ่มต้นในกระบวนการนี้ ซึ่งก็คือการเดินทางของอิเล็กตรอน เกือบ 35 ปีที่แล้ว เมื่อมีการเปิดเผยโครงสร้างแรกของสารเชิงซ้อนประเภทนี้ นักวิทยาศาสตร์รู้สึกประหลาดใจเมื่อพบว่าหลังจากการดูดกลืนแสง กระบวนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนต้องเผชิญกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก: มีสองเส้นทางที่เป็นไปได้สำหรับอิเล็กตรอนที่จะเดินทาง ในธรรมชาติ พืช สาหร่าย และแบคทีเรีย สังเคราะห์ แสงใช้พวกมันเพียงตัวเดียว และนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่รู้ว่าทำไม สิ่งที่พวกเขารู้ก็คือการขับเคลื่อนของอิเล็กตรอนผ่านเมมเบรน -- การเก็บเกี่ยวพลังงานของโฟตอนอย่างมีประสิทธิภาพ -- ต้องใช้หลายขั้นตอน นักวิทยาศาสตร์ของ Argonne และ Washington University สามารถแทรกแซงพวกมันเพื่อเปลี่ยนเส้นทางโคจรของอิเล็กตรอน Dewey Holten นักเคมีจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันกล่าวว่า "เราอยู่บนเส้นทางนี้มากว่าสามทศวรรษแล้ว และเป็นความสำเร็จครั้งยิ่งใหญ่ที่เปิดโอกาสมากมาย" บทความล่าสุดของนักวิทยาศาสตร์เรื่อง "Switching side -- Reengineeredprimary charge allocation in the bacterial photosynthetic reaction center" ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences แสดงให้เห็นว่าพวกเขาค้นพบโปรตีนคอมเพล็กซ์รุ่นวิศวกรรมที่เปลี่ยนการใช้ประโยชน์จาก ทางเดิน เปิดใช้งานอันที่ไม่ได้ใช้งานในขณะที่ปิดการใช้งานอื่น ๆ Christine Kirmaier นักเคมีและหัวหน้าโครงการกล่าวว่า "เป็นเรื่องน่าทึ่งที่เราสามารถเปลี่ยนทิศทางของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเริ่มต้นได้" "โดยธรรมชาติแล้ว อิเล็กตรอนเลือกเส้นทางเดียว 100 เปอร์เซ็นต์ของเวลา แต่ด้วยความพยายามของเรา เราสามารถทำให้อิเล็กตรอนเปลี่ยนไปใช้เส้นทางอื่นได้ 90 เปอร์เซ็นต์ของเวลาทั้งหมด การค้นพบนี้ก่อให้เกิดคำถามที่น่าตื่นเต้นสำหรับการวิจัยในอนาคต" ผลจากความพยายามของพวกเขา ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้ความสามารถในการออกแบบระบบถ่ายโอนอิเล็กตรอนมากขึ้นกว่าเดิม ซึ่งพวกเขาสามารถส่งอิเล็กตรอนไปตามเส้นทางที่ตนเลือกได้ "นี่เป็นสิ่งสำคัญเพราะเราได้รับความสามารถในการควบคุมการไหลของพลังงานเพื่อทำความเข้าใจหลักการออกแบบที่จะนำไปสู่การประยุกต์ใช้ระบบ abiotic ใหม่" Laible กล่าว "สิ่งนี้จะช่วยให้เราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมากได้อย่างมาก และอาจทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดเล็กลง เรามีโอกาสอันยิ่งใหญ่ที่นี่ในการเปิดสาขาใหม่ของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ขับเคลื่อนด้วยแสง ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยคาดคิดมาก่อน ธรรมชาติ ถ้าเราทำได้ นั่นเป็นเรื่องใหญ่"