Теперь исследователи из Принстонского университета обнаружили механизм, который увеличивает скорость сбора света криптофитными водорослями Chroomonas mesostigmatica. Эти результаты, опубликованные в журнале Chem 8 декабря, дают ценную информацию для разработки систем искусственного сбора света, таких как молекулярные датчики и коллекторы солнечной энергии.
Водоросли-криптофиты часто живут ниже других организмов, которые поглощают большую часть солнечных лучей. В ответ водоросли эволюционировали, чтобы процветать на длинах волн света, которые не улавливаются их соседями наверху, в основном желто-зелеными цветами. Водоросли собирают эту желто-зеленую световую энергию и пропускают ее через сеть молекул, которая преобразует ее в красный свет, необходимый молекулам хлорофилла для выполнения важных фотосинтетических процессов.
Скорость передачи энергии через систему как впечатлила, так и озадачила ученых, изучающих их. Прогнозы лаборатории Скоулза всегда были примерно в три раза медленнее, чем наблюдаемые показатели. «Временные рамки, в которых энергия перемещается через белок — мы никогда не сможем понять, почему этот процесс так быстр», — сказал автор-корреспондент Грегори Скоулз, William S. Тод, профессор химии в Принстонском университете.
В 2010 году команда Скоулза обнаружила доказательства того, что виновником этих высоких скоростей было странное явление, называемое квантовой когерентностью, в котором молекулы могут совместно использовать электронное возбуждение и передавать энергию в соответствии с квантово-механическими законами вероятности, а не классической физикой. Но исследовательская группа до сих пор не могла объяснить, как именно согласованность работала для увеличения скорости.
Используя сложный метод с помощью сверхбыстрых лазеров, исследователи смогли измерить поглощение света молекулами и, по сути, отследить поток энергии через систему. Обычно сигналы поглощения перекрываются, что делает невозможным их привязку к конкретным молекулам внутри белкового комплекса, но команда смогла обострить сигналы, охладив белки до очень низких температур, сказал Джейкоб Дин, ведущий автор и постдокторский исследователь в лаборатории.
Лаборатория Скоулза.
Исследователи наблюдали за системой, когда энергия передавалась от молекулы к молекуле, от высокоэнергетического зеленого света к низкоэнергетическому красному свету, при этом избыточная энергия терялась в виде энергии колебаний. Эти эксперименты выявили особую спектральную картину, которая была «дымящейся пушкой» для колебательного резонанса или колебательного согласования между молекулами донора и акцептора, сказал Дин.
Это колебательное согласование позволило передавать энергию намного быстрее, чем это было бы при распределении возбуждения между молекулами.
Этот эффект обеспечил механизм ранее описанной квантовой когерентности. Принимая во внимание это перераспределение, исследователи пересчитали свой прогноз и остановились на скорости примерно в три раза быстрее.
"Наконец-то прогноз оказался верным", — сказал Скоулз. "Оказалось, что для этого потребовался совсем другой, удивительный механизм."
Лаборатория Скоулза планирует изучить родственные белки, чтобы выяснить, действует ли этот механизм в других фотосинтезирующих организмах.
В конечном итоге ученые надеются создать светособирающие системы с идеальной передачей энергии, черпая вдохновение и конструктивные принципы из этих точно настроенных, но чрезвычайно надежных светособирающих белков. «Этот механизм является еще одним убедительным свидетельством оптимальности этих белков», — сказал Скоулз.