Denk aan een trein die van het spoor naar een wisselpunt komt waar hij naar rechts of naar links kan gaan - en hij gaat altijd naar rechts.

Fotosynthetische organismen hebben een soortgelijk schakelpunt. Nadat zonlicht is geabsorbeerd, energie wordt snel overgebracht naar een eiwit dat het reactiecentrum wordt genoemd. Vanaf dit moment, de elektronen kunnen ofwel naar een A-tak (of "juiste spoor") reeks moleculen bewegen, of naar een B-tak ("linkerspoor") reeks identieke moleculen.

Nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis en Argonne National Laboratory leidt elektronen langs het pad dat ze normaal gesproken niet afleggen - waardoor het begrip van de vroegste door licht aangedreven gebeurtenissen van fotosynthese wordt bevorderd. De bevindingen werden op 31 december gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"In het bacteriële reactiecentrum, een elektron gaat 100% van de tijd naar de A-tak van moleculen. We hebben het 90% van de tijd naar de B-tak moleculen laten gaan, " zei Christine Kirmaier, onderzoekshoogleraar scheikunde in Arts &Sciences.

"Ten slotte, als je denkt te begrijpen hoe de trein en de sporen werken, waarom zou je de trein niet naar links kunnen laten gaan in plaats van naar rechts? Dat is in wezen wat we hebben gedaan, ' zei Kirmaier.

"Waarom twee sporen zijn geëvolueerd, is nog steeds een open vraag, maar de mogelijkheid om te bepalen welk nummer wordt gebruikt, is opwindend, " zei Philip D. Laible, een biofysicus in de afdeling biowetenschappen van het Argonne National Laboratory en een andere hoofdauteur van het papier.

"We willen van het schakelen tussen beide een beter begrepen fenomeen maken, zodat we elektronen gemakkelijk kunnen geleiden (excuseer de woordspeling) naar elke bestemming in een biologisch proces, "zei hij. "Op dit moment, we controleren functies waarmee elektronen een biologisch membraan kunnen doorkruisen - de eerste stap in het maken van energie uit zonlicht in dit organisme."

Een pad opnieuw ontwerpen

Planten, algen en fotosynthetische bacteriën zetten de energie van zonlicht om in door lading gescheiden eenheden die ze gebruiken om levensprocessen op aarde aan te drijven. En ze doen het op een heel specifieke manier:de reactiecentra in deze organismen hebben twee spiegelbeeldachtige arrangementen van eiwit- en pigmentcofactoren, de A- en B-kanten. Slechts één van deze ketens is actief - de A-kant - terwijl de B-kant stil is.

Kirmaier, met medewerker Dewey Holten, hoogleraar scheikunde aan de Washington University, en het team van het Argonne National Laboratory hebben veel iteraties van fotosynthetische mutanten ontworpen met als doel ladingsscheiding te bereiken met behulp van de B-tak. Het nieuwe onderzoek herontwikkelt een pad in een paarse fotosynthetische bacterie, een van de zonnecellen van de natuur.

"Met behulp van moleculaire biologie, we hebben de aminozuren rond de pigmenten veranderd om de magische combinatie te vinden om de B-tak te laten werken, " ze zei.

Het spel was om structurele veranderingen aan te brengen die de-tunen, of minder optimaal maken, elektronoverdrachten langs de A-zijde of het normale pad - en dan, tegelijkertijd, de reacties langs de B-zijde versnellen.

De onderzoekers waren in staat om dit trial-and-error-proces op te voeren door alle mogelijke aminozuren te testen op een specifieke doellocatie aan de A- of B-kant, het vinden van een of meer die de B-kantopbrengst verbeteren. Vervolgens droegen ze die "hit" naar voren in de mutante achtergrond om de volgende doellocatie te onderzoeken, enzovoort.

"Het was onverwacht, ' zei Kirmaier. 'We hebben een locatie uitgekozen, en in een van onze beste gemuteerde achtergronden, plaatste alle 20 aminozuren daar - en een van hen gaf ons een opbrengst van 90%."

"Dit is een baanbrekende prestatie en iets dat [iedereen in] het veld al tientallen jaren actief probeert te achterhalen - sinds we bijna 35 jaar geleden voor het eerst de twee sporen zagen in een spraakmakende structurele studie in Nature, " zei Deborah K. Hanson van de afdeling biowetenschappen, Argonne Nationaal Laboratorium, een andere hoofdauteur van de PNAS papier.

De geschiedenis van fotosynthese heroverwegen

Het nieuwe werk belicht basisstructuur-functieprincipes die efficiënte, door licht geïnduceerde elektronenoverdracht.

Deze kennis kan helpen bij het ontwerpen van biohybride en bio-geïnspireerde systemen voor energieconversie en -opslag, aldus de onderzoekers. De bevindingen zullen ook aanleiding geven tot aanvullende experimenten en analyses.

"De resultaten roepen veel vragen op over wat nodig is om unidirectionele ladingsscheiding te krijgen, ' zei Holten.

In de natuur, paarse bacteriën voeren de eerste ladingsscheiding uit met een proces in twee stappen dat plaatsvindt in enkele biljoensten van een seconde. Maar de nieuwe B-tak-oplossing van het team haalt bijna hetzelfde rendement, hoewel het een tandemproces in één stap gebruikt dat 5-10 keer langer duurt.

"In de oorspronkelijke geschiedenis van fotosynthese, misschien gaf een dergelijke combinatie van snelle tweestaps en langzamere eenstapsprocessen een opbrengst van 80 of 90% - en dan, overuren, het geoptimaliseerd, ' zei Holten.