Три миллиарда лет назад свет впервые прошёл через крошечные реакционные центры хлорофилла. Это был первый шаг растений и фотосинтезирующих бактерий к преобразованию света в еду.
Гелиобактерии — семейство бактерий, использующих фотосинтез для производства энергии. Внутри них располагается реакционный центр, который, по утверждению исследователей, похож на реакционный центр предков всех фотосинтезирующих организмов. Команда из Мичиганского университета (MU) определила первые этапы преобразования света в энергию для этих бактерий.
«Наше исследование показывает разные способы, которые использовались природой для создания базовой архитектуры реакционных центров, появившихся около 3 миллиардов лет назад, — сказала ведущий автор и физик UM Дженнифер Огилви. — В конечном счёте, мы хотим понять, как энергия проходит через систему и создаёт то, что мы называем состоянием с разделёнными зарядами. Это батарея, которая запускает двигатель фотосинтеза».
Фотосинтезирующие организмы используют для сбора фотонов антенные белки, которые связаны с пигментными молекулами. Собранная энергия перенаправляется в реакционные центры, которые питают начальные этапы конверсии света в пищу для организма. Они происходят очень быстро — за несколько фемтосекунд (фемтосекунда — одна квадриллионная доля секунды 10^15). За мгновение ока это преобразование происходит много квадриллионов раз.
Исследователи хотят понять, как протекает эта трансформация. Это позволит лучше понять, как растения и другие фотосинтезирующие организмы переводят свет в питательную энергию. Это также даёт лучшее понимание принципов работы фотовольтаики и направлений её развития.
Когда свет попадает на фотосинтезирующий организм, пигменты внутри антенны собирают фотоны и направляют энергию в реакционный центр. Там энергия толкает электрон на следующий энергетический уровень, из которого он перемещается в новое место, оставляя после себя положительный заряд. Этот процесс называется разделением заряда. Он проходит по-разному и зависит от структуры реакционного центра, в котором идёт процесс.
В реакционном центре растений и большинства фотосинтезирующих организмов пигменты, организующие разделение заряда, поглощают похожие цвета, из-за чего сложно визуализировать процесс разделения. Используя гелиобактерии, исследователи определили, какие пигменты первоначально отдают электрон, после того как они возбуждены фотоном, и какие пигменты принимают электрон.
Гелиобактерии стали хорошей моделью для проверки, потому что их реакционные центры содержат смесь пигментов хлорофилла и бактериохлорофилла, которые поглощают разные цвета. Это можно пояснить следующим примером. Представьте, что вы пытаетесь проследить за человеком в толпе, но все одеты в синие куртки. Вы наблюдаете издалека и можете только делать снимки человека, движущегося через толпу.
«Однако, если бы человек, за которым вы наблюдаете, носил красную куртку, вам было бы проще за ним следить. Эта система действует примерно так: у неё есть чёткие маркеры», — пояснила Огилви, профессор физики, биофизики и молекулярных наук и инженерии.
Ранее понять работу гелиобактерий было трудно, так как была неизвестна структура их реакционного центра, которую очень сложно определить из-за мембранного типа белка. Но соавтор Огилви, биохимик Университета штата Аризона Кевин Реддинг разработал способ новый определения его кристаллической структуры.
Для исследования реакционных центров гелиобактерий команда Огилви использовала метод сверхбыстрой спектроскопии, называемый многомерной электронной спектроскопией. Его реализацией в лаборатории Огилви занимался ведущий автор аспирант Инь Сун. Команда направляет последовательность тщательно рассчитанных коротких лазерных импульсов в образец бактерии. Чем короче лазерный импульс, тем более широкий спектр света он может стимулировать.
Когда лазерный импульс попадает в образец, свет внутри возбуждает реакционные центры. Исследователи меняют промежутки времени между импульсами и записывают, как каждый из них взаимодействуют с образцом. Когда импульс доходит до образца, его электроны возбуждаются до более высокого уровня. Пигменты в образце поглощают волны определённой длины от конкретных цветов лазера, а поглощаемые цвета дают исследователям информацию о структуре энергетического уровня системы и о том, как энергия проходит через неё.
«В этом важная роль спектроскопии: когда мы просто смотрим на структуру чего-либо, мы не всегда понимаем, как это работает. Спектроскопия позволяет нам следить за структурой во время её функционирования, поглощения энергии и прохождения первых этапов её преобразования, — сказала Огилви. — Поскольку энергии в этих реакционных центрах довольно специфичны, мы можем получить однозначный взгляд на то, куда направляется энергия».
Получение ясной картины передачи энергии и разделения света в этих бактериях позволит исследователям уточнить представления о том, как работают процессы в других реакционных центрах.
«Считается, что растения и бактерии используют разный механизм, — рассказала Огилви. — Я мечтаю о том, чтобы можно было взять некую структуру, и, если наши теории верны, предсказать, как она работает и что произойдет в других структурах, а также исключить неверные варианты».