Met behulp van niet-destructieve neutronenverstrooiingstechnieken, wetenschappers onderzoeken hoe eencellige organismen, cyanobacteriën genaamd, zuurstof produceren en energie verkrijgen door middel van fotosynthese.

Medewerkers van de Washington University in St. Louis en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's) voeren een reeks experimenten uit om het gedrag van phycobilisomen - grote antenne-eiwitcomplexen in cyanobacteriëncellen - te bestuderen met behulp van de Bio-SANS instrument, bundellijn CG-3, in de High Flux Isotoop Reactor (HFIR) van het laboratorium. Phycobilisomen oogsten licht om fotosynthese te initiëren, en een beter begrip van dit proces zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiëntere zonnepanelen en andere kunstmatige structuren die natuurlijke systemen nabootsen.

Neutronen kunnen deze delicate structuren analyseren zonder ze te beschadigen of te doden en met meer ruimtelijke nauwkeurigheid dan andere technieken zoals microscopie.

"Met Bio-SANS, we kunnen in realtime zien wat er op nanoschaal in een levende cel gebeurt, " zei ORNL-onderzoeker Hugh O'Neill.

Phycobilisomen hechten aan celmembranen waar de lichtafhankelijke reacties van fotosynthese plaatsvinden. Het veranderen van de antennecomplexen van de phycobilisomen kan dramatische en verstrekkende gevolgen hebben bij cyanobacteriën.

"We zijn geïnteresseerd in het aanpassen van deze antennesystemen en het observeren van de resulterende structurele veranderingen, ", zei Michelle Liberton van de Washington University.

Tijdens eerdere bezoeken aan ORNL, het team veranderde kunstmatig phycobilisomen door bepaalde genen in de cellen te verwijderen. Deze modificaties veroorzaakten structurele defecten in de celmembranen en andere drastische veranderingen in de celfysiologie.

Nu modificeren ze op natuurlijke wijze de antennecomplexen door de cyanobacteriën uit te hongeren voor stikstof, een voedingsstof die essentieel is voor hun basisfuncties. Dit uitputtingsproces zorgt ervoor dat de antenne kleiner wordt, wat op zijn beurt leidt tot significante cellulaire herschikkingen en modificaties in de membraanlagen.

Deze keten van gebeurtenissen vindt plaats omdat de cellen de phycobilisomen afbreken en ze gebruiken als een alternatieve stikstofbron om te overleven.

"Het fycobilisoomantennecomplex is een enorme voorraad micronutriënten in de cellen, Liberton legde uit. "Als het complex degradeert, de cellen hebben toegang tot materialen die ze niet meer uit de omgeving kunnen halen."

Door de omvang van deze veranderingen te bepalen, het team hoopt de structuur-functierelatie tussen cellulaire organisatie en natuurlijke modificatie beter te begrijpen. Deze processen kunnen onmiddellijk worden teruggedraaid door stikstof in de cellen terug te brengen.

De onderzoekers zijn van plan deze resultaten te vergelijken met die van hun genetische studies om de verschillen tussen kunstmatige en natuurlijke modificaties en hun effecten op de intracellulaire samenstelling van cyanobacteriën te onderzoeken.

Deze bevindingen ondersteunen het Photosynthetic Antenna Research Center (PAARC), een DOE-gefinancierd Energy Frontier Research Center gevestigd aan de Washington University sinds 2009. Het centrum brengt een internationaal netwerk van experts uit de academische wereld en onderzoeksfaciliteiten samen, inclusief ORNL, om antennesystemen en hun rol in fotosynthese te bestuderen.

"Op het fundamentele niveau dit onderzoek is gerelateerd aan hoe efficiënt natuurlijke systemen zonnelicht gebruiken, ", aldus Bio-SANS instrumentwetenschapper en PARC-medewerker Volker Urban.

Dergelijke inzichten zijn van onschatbare waarde voor de PARC-bijdragers die hopen duurzame technologie geïnspireerd door de natuurlijke wereld te verbeteren.