Chemiker entdecken, warum die photosynthetische Lichtgewinnung so effizient ist

Wenn photosynthetische Zellen Licht von der Sonne absorbieren, springen Energiepakete, sogenannte Photonen, zwischen einer Reihe lichtsammelnder Proteine ​​hin und her, bis sie das photosynthetische Reaktionszentrum erreichen. Dort wandeln Zellen die Energie in Elektronen um, die schließlich die Produktion von Zuckermolekülen antreiben.

Diese Energieübertragung durch den Lichtsammelkomplex erfolgt mit äußerst hoher Effizienz: Nahezu jedes absorbierte Lichtphoton erzeugt ein Elektron, ein Phänomen, das als Quanteneffizienz nahe Eins bekannt ist.

Eine neue Studie von MIT-Chemikern bietet eine mögliche Erklärung dafür, wie Proteine ​​des Lichtsammelkomplexes, auch Antenne genannt, diese hohe Effizienz erreichen. Die Forscher konnten erstmals den Energietransfer zwischen lichtsammelnden Proteinen messen und dabei feststellen, dass die unorganisierte Anordnung dieser Proteine ​​die Effizienz der Energietransduktion steigert.

„Damit diese Antenne funktioniert, ist eine Energieübertragung über große Entfernungen erforderlich. Unsere wichtigste Erkenntnis ist, dass die ungeordnete Organisation der lichtsammelnden Proteine ​​die Effizienz dieser Energieübertragung über große Entfernungen erhöht“, sagt Gabriela Schlau-Cohen, eine Wissenschaftlerin außerordentlicher Professor für Chemie am MIT und leitender Autor der neuen Studie.

Die MIT-Postdocs Dihao Wang und Dvir Harris sowie die ehemalige MIT-Doktorandin Olivia Fiebig Ph.D. sind die Hauptautoren des Artikels, der im veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Jianshu Cao, Professor für Chemie am MIT, ist ebenfalls Autor des Artikels.

Energiegewinnung

Für diese Studie konzentrierte sich das MIT-Team auf Purpurbakterien, die häufig in sauerstoffarmen Gewässern vorkommen und häufig als Modell für Studien zur photosynthetischen Lichtgewinnung verwendet werden.

Innerhalb dieser Zellen wandern eingefangene Photonen durch Lichtsammelkomplexe, die aus Proteinen und lichtabsorbierenden Pigmenten wie Chlorophyll bestehen. Mithilfe der ultraschnellen Spektroskopie, einer Technik, die extrem kurze Laserpulse verwendet, um Ereignisse zu untersuchen, die auf Zeitskalen von Femtosekunden bis Nanosekunden ablaufen, konnten Wissenschaftler untersuchen, wie sich Energie innerhalb eines einzelnen dieser Proteine ​​bewegt. Die Untersuchung der Energieübertragung zwischen diesen Proteinen hat sich jedoch als weitaus schwieriger erwiesen, da hierfür die kontrollierte Positionierung mehrerer Proteine ​​erforderlich ist.

Um einen Versuchsaufbau zu schaffen, mit dem sie messen konnten, wie sich Energie zwischen zwei Proteinen bewegt, entwarf das MIT-Team synthetische nanoskalige Membranen mit einer Zusammensetzung, die denen natürlich vorkommender Zellmembranen ähnelt. Durch die Kontrolle der Größe dieser Membranen, sogenannte Nanodiscs, konnten sie den Abstand zwischen zwei in den Scheiben eingebetteten Proteinen steuern.

Für diese Studie haben die Forscher zwei Versionen des primären Lichtsammelproteins, das in Purpurbakterien vorkommt, bekannt als LH2 und LH3, in ihre Nanoscheiben eingebettet. LH2 ist das Protein, das bei normalen Lichtverhältnissen vorhanden ist, und LH3 ist eine Variante, die normalerweise nur bei schlechten Lichtverhältnissen exprimiert wird.

Mit dem Kryo-Elektronenmikroskop an der MIT.nano-Einrichtung konnten die Forscher ihre in der Membran eingebetteten Proteine ​​abbilden und zeigen, dass sie in ähnlichen Abständen positioniert waren wie in der nativen Membran. Sie konnten auch die Abstände zwischen den Lichtsammelproteinen messen, die im Bereich von 2,5 bis 3 Nanometern lagen.

Ungeordnet ist besser

Da LH2 und LH3 leicht unterschiedliche Lichtwellenlängen absorbieren, ist es möglich, mithilfe der Ultrakurzzeitspektroskopie den Energietransfer zwischen ihnen zu beobachten. Bei eng beieinander liegenden Proteinen fanden die Forscher heraus, dass es etwa 6 Pikosekunden dauert, bis ein Energiephoton zwischen ihnen wandert. Bei weiter entfernten Proteinen dauert die Übertragung bis zu 15 Pikosekunden.

Eine schnellere Fahrt führt zu einer effizienteren Energieübertragung, denn je länger die Fahrt dauert, desto mehr Energie geht bei der Übertragung verloren.

„Wenn ein Photon absorbiert wird, dauert es nur so lange, bis Energie durch unerwünschte Prozesse wie strahlungslosen Zerfall verloren geht. Je schneller es also umgewandelt werden kann, desto effizienter ist es“, sagt Schlau-Cohen.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass in einer Gitterstruktur angeordnete Proteine ​​eine weniger effiziente Energieübertragung zeigten als Proteine, die in zufällig organisierten Strukturen angeordnet waren, wie dies normalerweise in lebenden Zellen der Fall ist.

„Eine geordnete Organisation ist tatsächlich weniger effizient als die ungeordnete Organisation der Biologie, was wir wirklich interessant finden, weil die Biologie dazu neigt, ungeordnet zu sein. Diese Erkenntnis zeigt uns, dass dies möglicherweise nicht nur ein unvermeidlicher Nachteil der Biologie ist, sondern dass sich Organismen möglicherweise dafür entwickelt haben.“ „Wir können davon profitieren“, sagt Schlau-Cohen.

Nachdem sie nun die Fähigkeit etabliert haben, den Energietransfer zwischen Proteinen zu messen, planen die Forscher, den Energietransfer zwischen anderen Proteinen zu untersuchen, beispielsweise den Transfer zwischen Proteinen der Antenne zu Proteinen des Reaktionszentrums. Sie planen auch, den Energietransfer zwischen Antennenproteinen zu untersuchen, die in anderen Organismen als Purpurbakterien, wie etwa grünen Pflanzen, vorkommen.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.