Fotosynthese vereist een mechanisme om grote hoeveelheden chemische energie te produceren zonder de oxidatieve kracht te verliezen die nodig is om water af te breken. Een Japans onderzoeksteam heeft een deel van dit mechanisme opgehelderd, markeert een nieuwe stap in de richting van de potentiële ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese. De bevindingen werden op 27 februari gepubliceerd in de online editie van de Journal of Physical Chemistry Letters .

Het team werd geleid door professor KOBORI Yasuhiro (Kobe University Molecular Photoscience Research Center) en promovendus HASEGAWA Masashi (Graduate School of Science) met universitair hoofddocent MINO Hiroyuki (Nagoya University Graduate School of Science).

Tijdens de watersplitsingsreactie bij fotosynthese, planten produceren zuurstof door zonne-energie om te zetten in chemische energie, het verstrekken van de energiebron die nodig is voor hun overleving. Deze reactie wordt uitgevoerd door een eiwitcomplex in chloroplasten (in bladeren), het fotosysteem II-complex (zie figuur 1).

In 2015 slaagde het onderzoeksteam van professor Kobori erin de elektronische interacties en 3-dimensionale plaatsing van de initiële ladingsscheiding te analyseren die direct na fotoreactie in het fotosynthetische reactiecentrum van paarse bacteriën werd geproduceerd, die niet het oxidatiepotentieel voor watersplitsing veroorzaken. Echter, in het fotosysteem II-complex voor hogere planten, de configuratie van de initiële ladingsscheidingstoestand was onduidelijk, en het was een raadsel hoe het leidde tot een effectieve watersplitsingsreactie met behoud van de hoge oxidatieve kracht.

De wetenschappers haalden thylakoïde membranen (waar de fotoreactie plaatsvindt bij fotosynthese) uit spinazie, een reductiemiddel toegevoegd, en bestraalde de monsters. Hierdoor konden ze microgolfsignalen detecteren vanuit de initiële ladingsscheidingstoestand met een nauwkeurigheid van een 10 miljoenste van een seconde (zie figuur 3a). Ze ontwikkelden een methode om de microgolfsignalen te analyseren met behulp van spinpolarisatiebeeldvorming. Voor het eerst was het mogelijk om een ​​3D-beeldanalyse uit te voeren van de configuratie van de elektrische lading die direct na blootstelling aan licht als reactief tussenproduct wordt geproduceerd. Dit gebeurde met een nauwkeurigheid tot op 10 miljoenste van een seconde, als opeenvolgende fotografie (zie figuur 3b). Op basis van deze visualisatie ze kwantificeerden ook de elektronische interactie die optreedt wanneer elektronenbanen elkaar overlappen voor moleculen met elektrische ladingen (figuur 3c).

De aanvankelijke structuur van de scheiding van elektrische lading die door deze analyse werd opgehelderd, verschilde niet veel van de structuur vóór de reactie, maar de beeldvormingsanalyse toonde aan dat de positieve elektrische lading die in het pigment voorkwam als een reactief tussenproduct onevenredig aanwezig was in enkele chlorofylmoleculen (figuur 3b, C). Het suggereert dat er een sterke stabilisatie is die wordt veroorzaakt door elektrostatische interactie tussen de ladingen.

Het is gebleken dat de terugkeer van de negatieve lading wordt onderdrukt, omdat de overlap tussen elektronenbanen sterk wordt beperkt door het isolerende effect van het uiteinde van de vinylgroep. Dit betekent dat het mogelijk wordt om de hoge oxiderende krachten van de positieve lading in chlorofyl (PD1) te gebruiken voor de daaropvolgende oxidatieve ontleding van water.

Op basis van deze bevindingen, onderzoekers hebben een deel van het mechanisme ontgrendeld om effectief grote hoeveelheden chemische energie te produceren zonder verlies van de oxidatieve kracht die nodig is om water te splitsen in fotosynthese. Deze bevindingen kunnen helpen bij het ontwerpen van een "kunstmatig fotosynthesesysteem" dat een schone energiebron kan bieden door zonne-energie efficiënt om te zetten in grote hoeveelheden elektriciteit en waterstof. De toepassing van dit principe kan bijdragen aan het oplossen van problemen met energie, het milieu en voedseltekorten.