Kada fotosintetičke ćelije apsorbuju sunčevu svetlost, paketi energije koji se nazivaju fotoni skaču između serije proteina koji sakupljaju svetlost dok ne stignu do centra fotosintetske reakcije. Tamo ćelije pretvaraju energiju u elektrone, koji na kraju pokreću proizvodnju molekula šećera.
Ovaj prenos energije kroz kompleks za prikupljanje svetlosti odvija se sa izuzetno visokom efikasnošću: skoro svaki apsorbovani foton svetlosti generiše elektron, fenomen poznat kao kvantna efikasnost skoro jedinice.
Nova studija hemičara sa MIT-a nudi potencijalno objašnjenje kako proteini kompleksa za prikupljanje svetlosti, koji se takođe nazivaju antena, postižu tu visoku efikasnost. Po prvi put, istraživači su bili u mogućnosti da izmere prenos energije između proteina koji sakupljaju svetlost, omogućavajući im da otkriju da neorganizovani raspored ovih proteina povećava efikasnost energetske transdukcije.
„Da bi ta antena radila, potrebna vam je transdukcija energije na velike udaljenosti. Naš ključni nalaz je da neuređena organizacija proteina koji sakupljaju svetlost povećava efikasnost te transdukcije energije na velike udaljenosti“, kaže Gabriela Schlau-Cohen, vanredni profesor hemije na MIT-u i viši autor nove studije.
Postdoktori MIT-a Dihao Vang i Dvir Harris i bivša diplomirana studentkinja MIT-a Olivia Fiebig Ph.D. su vodeći autori rada, objavljenog u Proceedings of the National Academi of Sciences. Jianshu Cao, profesor hemije na MIT-u, takođe je autor rada.
Za ovu studiju, MIT tim se fokusirao na ljubičaste bakterije, koje se često nalaze u vodenim sredinama siromašnim kiseonikom i obično se koriste kao model za studije fotosintetskog sakupljanja svetlosti.
Unutar ovih ćelija, uhvaćeni fotoni putuju kroz komplekse za prikupljanje svetlosti koji se sastoje od proteina i pigmenata koji apsorbuju svetlost, kao što je hlorofil. Koristeći ultrabrzu spektroskopiju, tehniku koja koristi izuzetno kratke laserske impulse za proučavanje događaja koji se dešavaju u vremenskim razmacima od femtosekunde do nanosekunde, naučnici su uspeli da prouče kako se energija kreće unutar jednog od ovih proteina. Međutim, proučavanje načina na koji energija putuje između ovih proteina pokazalo se mnogo izazovnijim jer zahteva pozicioniranje više proteina na kontrolisan način.
Da bi stvorili eksperimentalnu postavku u kojoj bi mogli da izmere kako energija putuje između dva proteina, tim MIT-a je dizajnirao sintetičke membrane na nanosmeru sa sastavom sličnim onima u prirodnim ćelijskim membranama. Kontrolom veličine ovih membrana, poznatih kao nanodiskovi, mogli su da kontrolišu rastojanje između dva proteina ugrađena u diskove.
Za ovu studiju, istraživači su ugradili dve verzije primarnog proteina koji sakuplja svetlost pronađenog u ljubičastim bakterijama, poznatim kao LH2 i LH3, u svoje nanodiskove. LH2 je protein koji je prisutan u uslovima normalnog osvetljenja, a LH3 je varijanta koja se obično eksprimira samo u uslovima slabog osvetljenja.
Koristeći krio-elektronski mikroskop u MIT.nano postrojenju, istraživači su mogli da snime svoje proteine ugrađene u membranu i pokažu da su pozicionirani na udaljenosti sličnim onima koje se vide u prirodnoj membrani. Takođe su bili u mogućnosti da izmere rastojanja između proteina koji sakupljaju svetlost, koji su bili na skali od 2,5 do 3 nanometra.
Pošto LH2 i LH3 apsorbuju neznatno različite talasne dužine svetlosti, moguće je koristiti ultrabrzu spektroskopiju za posmatranje prenosa energije između njih. Za proteine koji su blisko raspoređeni, istraživači su otkrili da je potrebno oko 6 pikosekundi da foton energije putuje između njih. Za proteine koji su udaljeniji, prenos traje do 15 pikosekundi.
Brže putovanje znači efikasniji prenos energije, jer što je putovanje duže, to se više energije gubi tokom prenosa.
„Kada se foton apsorbuje, imate samo toliko vremena pre nego što se ta energija izgubi kroz neželjene procese kao što je neradijativni raspad, tako da što se brže može pretvoriti, to će biti efikasnije“, kaže Šlau-Koen.
Istraživači su takođe otkrili da proteini raspoređeni u rešetkastu strukturu pokazuju manje efikasan prenos energije od proteina koji su raspoređeni u nasumično organizovane strukture, kao što su obično u živim ćelijama.
„Uređena organizacija je zapravo manje efikasna od neuređene organizacije biologije, za koju mislimo da je zaista interesantna jer biologija ima tendenciju da bude poremećena. Ovaj nalaz nam govori da to možda nije samo neizbežna negativna strana biologije, već da su organizmi možda evoluirali da bi prednost od toga“, kaže Šlau-Koen.
Sada kada su uspostavili sposobnost merenja prenosa energije između proteina, istraživači planiraju da istraže prenos energije između drugih proteina, kao što je transfer između proteina antene na proteine reakcionog centra. Oni takođe planiraju da prouče prenos energije između proteina antena koji se nalaze u organizmima koji nisu ljubičaste bakterije, kao što su zelene biljke.
