创新的光合作用黑客技术为可再生能源的突破铺平了道路

研究人员已经“破解”了早期阶段[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.

尽管光合作用是一个广为人知和广泛研究的过程，但剑桥大学的研究人员发现它仍然隐藏着秘密。 通过使用超快光谱技术，他们发现负责光合作用的分子结构中的电子提取发生在比之前假设的更早的阶段。 光合作用的这种“重新布线”可以导致更好地管理过剩能量，并开发新的、更有效的方法来利用其潜力。 图片来源：玛丽·艾尔斯

“我们对光合作用的了解并不像我们想象的那么多，我们在这里发现的新电子转移途径非常令人惊讶，”博士说。

虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用它来帮助应对气候危机，例如，通过模拟光合作用过程从阳光和水中产生清洁燃料。

张和她的同事们最初试图理解为什么一种叫做醌的环状分子可以从光合作用中“窃取”电子。 烯酮在自然界中很常见，它们很容易接受和放弃电子。 研究人员使用一种称为超快瞬态吸收光谱的技术来研究醌在光合蓝藻中的行为。

一个国际科学家团队在百万分之一秒的超快时间尺度上研究了活细胞中的光合作用过程。 尽管进行了广泛的研究，光合作用仍有未被发现的秘密。 该团队使用超快光谱技术发现，化学物质从参与光合作用的分子结构中提取电子的时间比以前认为的要早得多。 这种“重新布线”可以增强过程对过剩功率的处理，并产生新的、有效的方式来利用其功率。 图片来源：汤米皮克

“没有人在光合作用的早期阶段正确研究过这种分子如何与光合作用机制相互作用：我们认为我们正在使用一种新技术来证实我们已经知道的事情，”张说。 “相反，我们找到了一条全新的途径，我们稍微打开了光合作用的黑匣子。”

研究人员使用超快光谱监测电子，发现发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“泄漏的”，允许电子逃逸。 这种渗漏可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的伤害。

“光合作用的物理学令人印象深刻，”来自剑桥卡文迪什实验室的共同第一作者 Tomi Baikie 说。 “通常情况下，我们使用高阶材料，但观察细胞中的电荷传输为发现自然如何运作提供了绝佳机会。”

共同第一作者 Laura Way 博士说，她在芬兰图尔库大学生物化学系从事这项工作。 “我们不知道这条途径存在的事实令人兴奋，因为我们可以利用它从可再生能源中提取更多能源。”

研究人员说，能够在光合作用过程的早期提取货物，可以在操纵光合作用途径以从太阳产生清洁燃料时提高该过程的效率。 此外，调节光合作用的能力可能意味着农作物能够更好地承受强烈的阳光。

“许多科学家试图从光合作用的早期点提取电子，但他们说这是不可能的，因为能量被埋在蛋白质支架中，”张说。 “我们可以在早期的行动中窃取它，这真是太棒了。起初，我们以为我们犯了一个错误：我们花了一段时间才说服自己，我们已经做到了。”

这一发现的关键是使用超快光谱学，这使研究人员能够在飞秒级（千分之一万亿分之一秒）内跟踪活光合细胞中的能量流动。

“使用这些超快速方法使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，而光合作用是地球上生命所依赖的，”来自生物化学系的共同作者克里斯托弗豪教授说。

参考：Tommy K. Paiki、Laura TY、Joshua M. Lawrence、Heights Medipaly、Erwin Reisner、Mark M. Nowaczyk、Richard H. Friend、Christopher J. Howe、Christophe Schneiderman、Akshay 撰写的“皮秒时间尺度上的光合作用” Rao 和 Jenny Zhang，2023 年 3 月 22 日，可在此处获得。 自然.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

该研究得到了工程和物理科学研究委员会 (EPSRC)、生物技术和生物科学研究委员会 (BBSRC) 的部分支持，并且是英国研究与创新 (UKRI) 以及 Winton 可持续物理学计划的一部分大学。 Cambridge, Commonwealth of Cambridge, European and International Fund, and EU Horizo​​n 2020 Research and Innovation Programme. Jenny Zhang 是剑桥大学化学系的 David Phillips Fellow 和 Corpus Christi College Fellow。 Tomi Baikie 是卡文迪许实验室的纳米未来研究员。 Laura Way 是图尔库大学诺和诺德基金会的博士后研究员。