Studie vědců z Matfyzu pomáhá odhalit tajemství fotosyntézy

Studie vědců z Matfyzu pomáhá odhalit tajemství fotosyntézy

Fyzika / článek

V časopise Nature Chemistry vyšla letos v červenci studie věnovaná fotosyntetickým procesům, na jejímž vypracování se podíleli vědci z Matfyzu. Dr. Jakubu Dostálovi a doc. Jakubu Pšenčíkovi z katedry chemické fyziky a optiky MFF UK se společně s prof. Donatasem Zigmantasem z univerzity ve švédském Lundu podařilo detailně zmapovat přenos excitační energie ve fotosyntetickém organismu.

Vědci pro svůj výzkum využili moderní metody koherentní dvoudimenzionální spektroskopie. Díky té mohli doslova v „přímém přenosu“ pozorovat průběh fotosyntetického procesu u zelené bakterie Chlorobaculum tepidum, konkrétně zachycení světla ve světlosběrných anténách a přenos excitační energie dalšími komplexy až do reakčních center.

Fotosyntéza je zdrojem energie téměř pro všechny živé organismy na Zemi včetně člověka. Během milionů let evoluce se u fotosyntetických organismů vyvinul aparát, který umožňuje zachytit fotony slunečního záření a převést jejich energii do energie chemických vazeb, ve kterých ji lze uchovat. Tento jev přitahuje pozornost výzkumníků už po několik století. Postupně bylo zjištěno, že fotosyntetický proces začíná v tzv. světlosběrných komplexech, kde dochází k záchytu fotonů molekulami pigmentů. Absorpcí fotonu se pigment, např. molekula chlorofylu, dostane do excitovaného stavu a takto získanou excitační energii může předat jiným molekulám ve svém okolí. Tak jako parabolická anténa soustředí satelitní televizní signál zachycený z relativně velké plochy antény do malého přijímače, tak světlosběrné komplexy zvětšují plochu, ze které jsou fotony absorbovány, a excitační energie je postupně přenášena od jedné molekuly k další až do tzv. reakčních center, kde dochází k jejímu dalšímu využití.

Studium primárních procesů fotosyntézy je důležité nejenom pro pochopení jevu samotného. Jelikož kvantová účinnost počátečních kroků fotosyntézy dosahuje téměř 100 %, jsou fotosyntetické komplexy zdrojem inspirace i pro vývoj nových technologií určených k efektivnímu využití sluneční energie, např. nových typů fotovoltaických zařízení, modelových systémů pro umělou fotosyntézu, nebo přímo jako součást biohybridních zařízení určených k přípravě biopaliv či jiných produktů pomocí sluneční energie.

Podrobné studium struktury a funkce jednotlivých fotosyntetických komplexů v posledních letech usnadnil rozmach biochemie. Doposud užívané experimentální metody však neumožňovaly získat dostatečně detailní znalosti o přenosu energie mezi jednotlivými komplexy a o jejich funkčních vztazích v kompletním fotosyntetickém aparátu. Pro pochopení funkce celého aparátu a pro jeho potenciální využití v praxi jsou přitom tyto znalosti klíčové.

Ve studii provedené ve spolupráci mezi Univerzitou Karlovou v Praze a Lund University se tyto informace podařilo získat pomocí moderní metody koherentní dvoudimenzionální spektroskopie, která kombinuje vysoké spektrální a časové rozlišení.


Touto metodou vědci zkoumali celé buňky fotosyntetických bakterií. Na obrázku je vlevo znázorněn průřez buňkou fotosyntetické bakterie Chlorobaculum tepidum. Fotony (oranžové šipky) jsou nejčastěji zachyceny v hlavním světlosběrném komplexu, kterým je v případě této bakterie tzv. chlorosom. Takto získaná excitační energie (žluté hvězdy) je přenášena do reakčního centra v cytoplasmické membráně bakterie, jak je znázorněno pomocí oranžovo-žlutých křivek.

Vědcům se podařilo uskutečnit vůbec první přímé pozorování přenosu energie z chlorosomu do tzv. FMO komplexu a z něj dále do reakčních center. FMO představuje vedle chlorosomu další světlosběrný komplex a zároveň slouží jako důležitý modelový systém studia fotosyntézy. Jeho zapojení do procesů přenosu excitační energie v rámci celého fotosyntetického aparátu však bylo prokázáno až právě nyní tímto výzkumem, z dvoudimenzionálních spekter, která jsou v ilustraci zobrazena vpravo.

Experimenty vědci prováděli v laboratoři Donatase Zigmantase na lundské univerzitě. Aparatura na měření metodou koherentní dvoudimenzionální spektroskopie však byla nedávno vybudována také na MFF UK, čeští vědci tedy budou podobné výzkumy již brzy realizovat v Praze.

Dostál. et al. Nat. Chem. 8 (7): 705–710, 2016, doi:10.1038/nchem.2525

Výsledky studie byly zveřejněny v červencovém čísle časopisu Nature Chemistry.

Tento článek jsme automaticky naimportovali z předchozího redakčního systému. Pokud se v něm něco pokazilo, dejte nám prosím vědět.