Οι επιστήμονες αποκάλυψαν γιατί στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιείται μόνο μία από τις δύο φαινομενικά πανομοιότυπες οδούς ενός φύλλου, αποκαλύπτοντας κρυμμένα ενεργειακά εμπόδια και δομικές αποχρώσεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη σχεδίαση πιο αποτελεσματικών τεχνητών συστημάτων.

Επιστήμονες από το Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημών (IISc) και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) αποκάλυψαν την αιτία ενός μακροχρόνιου μυστηρίου στα πρώιμα στάδια της φωτοσύνθεσης. Αυτή η ζωτική φυσική διαδικασία επιτρέπει στα φυτά, τα φύκια και ορισμένα βακτήρια να αξιοποιούν το ηλιακό φως, παράγοντας οξυγόνο και αποθηκεύοντας ενέργεια σε χημική μορφή.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν γιατί ένα κρίσιμο βήμα στη μεταφορά ενέργειας, και συγκεκριμένα η κίνηση των ηλεκτρονίων, συμβαίνει μόνο μέσω της μίας πλευράς ενός συμπλόκου πρωτεΐνης-χρωστικής που ξεκινά τη φωτοσύνθεση. Τα ευρήματά τους έχουν δημοσιευτεί στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .

Παρόλο που η φωτοσύνθεση έχει μελετηθεί εκτενώς, πολλές πτυχές της παραμένουν ασαφείς. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια πολύπλοκη αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ μορίων χρωστικής ουσίας, και η ταχύτητα και η δομική της πολυπλοκότητα καθιστούν δύσκολη την πλήρη κατανόησή της. Επιπλέον, μικρές διακυμάνσεις στον τρόπο με τον οποίο διαφορετικοί οργανισμοί εκτελούν τη φωτοσύνθεση προσθέτουν στην πρόκληση. Η βαθύτερη κατανόηση αυτών των μηχανισμών θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών όπως τα τεχνητά φύλλα και οι κυψέλες καυσίμου που αναπαράγουν την ικανότητα της φύσης να μετατρέπει το ηλιακό φως σε αξιοποιήσιμη ενέργεια.

Φωτοσύστημα II: Το σημείο εκκίνησης της φωτοσύνθεσης
Στους περισσότερους οργανισμούς, ένα σύμπλεγμα πρωτεΐνης-χρωστικής που ονομάζεται Φωτοσύστημα II (PSII) ξεκινά τη φωτοσύνθεση παγιδεύοντας ενέργεια από το ηλιακό φως και διασπώντας το νερό, παρέχοντας μόρια οξυγόνου και ηλεκτρόνια που μεταφέρονται σε επόμενες πρωτεΐνες και μόρια.

Το PSII περιέχει δύο πανομοιότυπους βραχίονες, που ονομάζονται D1 και D2, γύρω από τους οποίους είναι διατεταγμένα συμμετρικά τέσσερα μόρια χλωροφύλλης και δύο φαιοφυτίνες – χρωστικές ουσίες που σχετίζονται με τη χλωροφύλλη. Αυτοί οι βραχίονες συνδέονται επίσης με μόρια-φορείς ηλεκτρονίων που ονομάζονται πλαστοκινόνες. Τα ηλεκτρόνια ρέουν πρώτα από τη χλωροφύλλη στη φαιοφυτίνη και στη συνέχεια από τη φαιοφυτίνη στην πλαστοκινόνη.

Παρά το γεγονός ότι είναι συμμετρικό ως προς τον κλάδο D1, δεν λαμβάνει χώρα μεταφορά φορτίου κατά μήκος του κλάδου D2. Η μελέτη δείχνει ότι το φράγμα ενεργοποίησης για το τρίτο βήμα στο D2 είναι σχεδόν διπλάσιο από αυτό του αντίστοιχου βήματος στο D1. Πίστωση: Shubham Basera

Ωστόσο, μελέτες έχουν δείξει ότι τα ηλεκτρόνια φαίνεται να ρέουν μόνο κατά μήκος της πρωτεΐνης D1 – ένα μυστήριο που προβληματίζει τους ερευνητές για μεγάλο χρονικό διάστημα.

«Παρά τη δομική συμμετρία μεταξύ των πρωτεϊνικών κλάδων D1 και D2 στο PSII, μόνο ο κλάδος D1 είναι λειτουργικά ενεργός», λέει ο Aditya Kumar Mandal, πρώτος συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής, IISc.

Χαρτογράφηση του Ενεργειακού Τοπίου
Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής, κβαντομηχανικών υπολογισμών και θεωρίας Marcus (ένα πλαίσιο βραβευμένο με Νόμπελ για τη μεταφορά ηλεκτρονίων) για να χαρτογραφήσουν το ενεργειακό τοπίο για την κίνηση ηλεκτρονίων και στους δύο κλάδους. «Αξιολογήσαμε την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς ηλεκτρονίων βήμα προς βήμα μέσω των κλάδων D1 και D2», λέει ο Shubham Basera, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής και ένας από τους συγγραφείς.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι ο κλάδος D2 έχει πολύ υψηλότερο ενεργειακό φράγμα, γεγονός που καθιστά τη μεταφορά ηλεκτρονίων ενεργειακά δυσμενή. Συγκεκριμένα, η μεταφορά ηλεκτρονίων από τη φαιοφυτίνη στην πλαστοκινόνη στο D2 απαιτεί διπλάσια ενέργεια ενεργοποίησης από την D1 – ένα φράγμα που τα ηλεκτρόνια φαίνεται να μην μπορούν να ξεπεράσουν, εμποδίζοντας την ενέργεια να ρέει προς τα εμπρός.

Οι ερευνητές προσομοίωσαν επίσης τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης και των δύο κλάδων και διαπίστωσαν ότι η αντίσταση στην κίνηση των ηλεκτρονίων στο D2 ήταν δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη από αυτή στο D1.

Μηχανική Φωτοσύνθεση του Μέλλοντος
Η ασυμμετρία στη ροή ηλεκτρονίων μπορεί επίσης να επηρεάζεται από ανεπαίσθητες διαφορές στο πρωτεϊνικό περιβάλλον γύρω από το PSII και στον τρόπο με τον οποίο οι χρωστικές είναι ενσωματωμένες σε αυτό, προτείνουν οι ερευνητές. Για παράδειγμα, η χρωστική χλωροφύλλης στο D1 έχει κατάσταση διέγερσης σε χαμηλότερη ενέργεια από την αντίστοιχη D2, γεγονός που υποδηλώνει ότι η χρωστική D1 έχει μεγαλύτερες πιθανότητες να προσελκύσει και να μεταφέρει ηλεκτρόνια.

Οι ερευνητές προτείνουν επίσης ότι η τροποποίηση ορισμένων από αυτά τα συστατικά μπορεί να ενισχύσει ή να επανασυνδέσει τη ροή ηλεκτρονίων μέσω του PSII. Για παράδειγμα, η εναλλαγή χλωροφύλλης και φαιοφυτίνης στο D2 θα μπορούσε να ξεπεράσει το μπλοκάρισμα ηλεκτρονίων, επειδή η χλωροφύλλη χρειάζεται χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης από τη φαιοφυτίνη.

«Η έρευνά μας παρουσιάζει ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση της φυσικής φωτοσύνθεσης», λέει ο Prabal K Maiti, καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής και ένας από τους αντίστοιχους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτά τα ευρήματα μπορούν να βοηθήσουν στο σχεδιασμό αποτελεσματικών τεχνητών φωτοσυνθετικών συστημάτων ικανών να μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χημικά καύσιμα, συμβάλλοντας σε καινοτόμες και βιώσιμες λύσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας».

Αυτός είναι ένας όμορφος συνδυασμός θεωρίας σε διάφορα επίπεδα για την αντιμετώπιση ενός μακροχρόνιου προβλήματος που κορυφώνεται σε ένα νέο επίπεδο κατανόησης, αλλά εξακολουθεί να αφήνει μυστήρια που πρέπει να αμφισβητηθούν, λέει ο Bill Goddard, καθηγητής στο Caltech και ένας από τους αντίστοιχους συγγραφείς.

Αναφορά: «Αποκάλυψη του μπλοκαρίσματος μεταφοράς φορτίου στον κλάδο D2 του κέντρου αντίδρασης του φωτοσυστήματος II» των Aditya Kumar Mandal, Shubham Basera, William A. Goddard και Prabal K. Maiti, 8 Ιουλίου 2025, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .
DOI: 10.1073/pnas.2405023122

(photο: pixabay)