Fotosentezin Gizli Mekanizması Ortaya Çıktı
Bilim insanları, fotosentezin kritik bir bölümünün neden görünüşte aynı olan iki yoldan yalnızca birini kullandığını ortaya çıkardı. Bu da daha verimli yapay sistemler tasarlamaya yardımcı olabilecek gizli enerji bariyerlerini ve yapısal nüansları ortaya çıkardı.
Hindistan Bilim Enstitüsü (IISc) ve Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) bilim insanları, fotosentezin erken aşamalarındaki uzun süredir devam eden bir gizemin ardındaki nedeni ortaya çıkardı. Bu hayati doğal süreç, bitkilerin, alglerin ve bazı bakterilerin güneş ışığından yararlanarak oksijen üretmesini ve kimyasal formda enerji depolamasını sağlar.
Araştırmacılar, enerji transferinde, özellikle elektronların hareketinde, kritik bir adımın, fotosentezi başlatan bir protein-pigment kompleksinin yalnızca bir tarafı aracılığıyla gerçekleştiğini keşfettiler. Bulguları Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri’nde yayınlandı.
Fotosentez kapsamlı bir şekilde incelenmiş olsa da, birçok yönü hala belirsizliğini korumaktadır. Bu süreç, pigment molekülleri arasında karmaşık bir elektron transfer zincirini içerir ve hızı ile yapısal karmaşıklığı, tam olarak anlaşılmasını zorlaştırmaktadır. Dahası, farklı organizmaların fotosentezi nasıl gerçekleştirdiği konusundaki küçük farklılıklar da zorluğu artırmaktadır. Bu mekanizmalar hakkında daha derinlemesine bilgi edinmek, doğanın güneş ışığını kullanılabilir enerjiye dönüştürme yeteneğini taklit eden yapay yapraklar ve yakıt hücreleri gibi ileri teknolojilerin geliştirilmesini destekleyebilir.
Fotosistem II: Fotosentezin Fırlatma Rampası
Çoğu organizmada, Fotosistem II (PSII) adı verilen bir protein-pigment kompleksi, güneş ışığından enerji yakalayıp suyu parçalayarak, oksijen molekülleri sağlayarak ve sonraki proteinlere ve moleküllere aktarılan elektronları sağlayarak fotosentezi başlatır.
PSII, D1 ve D2 adı verilen iki özdeş kola sahiptir ve bunların etrafında dört klorofil molekülü ve klorofille ilişkili pigmentler olan iki feofitin simetrik olarak düzenlenmiştir. Bu kollar ayrıca plastokinon adı verilen elektron taşıyıcı moleküllere de bağlıdır. Elektronlar önce klorofilden feofitine, sonra feofitinden plastokinona doğru akar.
D1 koluna simetrik olmasına rağmen, D2 kolu boyunca yük taşınımı gerçekleşmez. Çalışma, D2’deki üçüncü adımın aktivasyon bariyerinin, D1’deki ilgili adımın neredeyse iki katı olduğunu göstermektedir. Kaynak: Shubham Basera.
Ancak çalışmalar, elektronların yalnızca D1 boyunca aktığını göstermiştir; bu, araştırmacıları uzun süredir meşgul eden bir gizemdir. IISc Fizik Bölümü’nde doktora öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarı Aditya Kumar Mandal, “PSII’deki D1 ve D2 protein dalları arasındaki yapısal simetriye rağmen, yalnızca D1 dalı işlevsel olarak aktiftir,” diyor.
Enerji Manzarasının Haritalanması
Bu çalışmada araştırmacılar, moleküler dinamik simülasyonları, kuantum mekaniksel hesaplamalar ve Marcus teorisini (elektron transferi için Nobel ödüllü bir çerçeve) bir arada kullanarak her iki daldaki elektron hareketinin enerji manzarasını haritaladılar. Fizik Bölümü’nde doktora öğrencisi ve yazarlardan biri olan Shubham Basera, “Elektron transfer verimliliğini hem D1 hem de D2 dalları boyunca adım adım değerlendirdik,” diyor.
Ekip, D2 dalının çok daha yüksek bir enerji bariyerine sahip olduğunu ve bu durumun elektron taşınmasını enerjik olarak elverişsiz hale getirdiğini buldu. Özellikle, D2’de feofitinden plastokinona elektron transferi, D1’e kıyasla iki kat daha fazla aktivasyon enerjisi gerektiriyor; elektronların aşamadığı ve enerjinin ileri doğru akmasını engelleyen bir bariyer.
Araştırmacılar ayrıca her iki dalın akım-voltaj karakteristiklerini simüle ettiler ve D2’deki elektron hareketine karşı direncin D1’dekinden iki kat daha yüksek olduğunu buldular.
Geleceğin Fotosentezini Tasarlamak
Araştırmacılar, elektron akışındaki asimetrinin, PSII etrafındaki protein ortamındaki ve pigmentlerin içine nasıl yerleştirildiğine dair ince farklılıklardan da etkilenebileceğini öne sürüyorlar. Örneğin, D1’deki klorofil pigmenti, D2’deki muadilinden daha düşük bir enerjide uyarılma durumuna sahip ve bu da D1 pigmentinin elektronları çekme ve aktarma olasılığının daha yüksek olduğunu gösteriyor.
Araştırmacılar ayrıca, bu bileşenlerden bazılarının ayarlanmasının PSII boyunca elektron akışını artırabileceğini veya yeniden düzenleyebileceğini öne sürüyorlar. Örneğin, D2’de klorofil ve feofitinin yer değiştirmesi, klorofilin feofitinden daha düşük aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyması nedeniyle elektron bloğunun üstesinden gelebilir.
Fizik Bölümü Profesörü ve çalışmanın ilgili yazarlarından biri olan Prabal K. Maiti, “Araştırmamız, doğal fotosentezi anlamada önemli bir adım sunuyor,” diyor. “Bu bulgular, güneş enerjisini kimyasal yakıtlara dönüştürebilen verimli yapay fotosentetik sistemlerin tasarlanmasına yardımcı olarak yenilikçi ve sürdürülebilir yenilenebilir enerji çözümlerine katkıda bulunabilir.”
Caltech’te Profesör ve ilgili yazarlardan biri olan Bill Goddard, “Bu, uzun süredir devam eden bir sorunu ele almak için farklı seviyelerdeki teorilerin güzel bir birleşimi ve yeni bir anlayış düzeyiyle sonuçlanıyor, ancak yine de gizemleri çözmeyi bekliyor,” diyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com