Peretasan fotosintesis yang inovatif membuka jalan bagi terobosan energi terbarukan

Para peneliti telah “meretas” tahap awal[{” 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.

Meskipun fotosintesis adalah proses yang dikenal luas dan dipelajari secara ekstensif, para peneliti Universitas Cambridge telah menemukan bahwa itu masih menyimpan rahasia tersembunyi. Dengan menggunakan teknik spektroskopi ultra cepat, mereka menemukan bahwa ekstraksi elektron dari struktur molekul yang bertanggung jawab untuk fotosintesis terjadi pada tahap lebih awal dari yang diperkirakan sebelumnya. “Pengaturan ulang” fotosintesis ini dapat mengarah pada pengelolaan kelebihan energi yang lebih baik dan pengembangan cara baru yang lebih efisien untuk memanfaatkan potensinya. Kredit: Mary Ayers

“Kami tidak tahu banyak tentang fotosintesis seperti yang kami duga, dan jalur transfer elektron baru yang kami temukan di sini cukup mengejutkan,” kata Dr.

Sementara fotosintesis adalah proses alami, para ilmuwan juga telah mempelajari bagaimana hal itu dapat digunakan untuk membantu mengatasi krisis iklim, misalnya dengan mensimulasikan proses fotosintesis untuk menghasilkan bahan bakar bersih dari sinar matahari dan air.

Zhang dan rekan-rekannya pada awalnya mencoba memahami mengapa molekul berbentuk cincin yang disebut kuinon dapat “mencuri” elektron dari fotosintesis. Alkenon bersifat umum, dan mereka dapat dengan mudah menerima dan melepaskan elektron. Para peneliti menggunakan teknik yang disebut ultrafast transient absorption spectroscopy untuk mempelajari bagaimana kuinon berperilaku dalam cyanobacteria fotosintesis.

Sebuah tim ilmuwan internasional telah mempelajari proses fotosintesis dalam sel hidup dalam skala waktu sangat cepat sepersejuta dari sepersejuta detik. Terlepas dari penelitian ekstensif, fotosintesis masih menyimpan rahasia yang belum ditemukan. Menggunakan teknik spektroskopi ultra cepat, tim menemukan bahwa bahan kimia mengekstraksi elektron dari struktur molekul yang terlibat dalam fotosintesis pada tahap yang jauh lebih awal dari yang diperkirakan sebelumnya. “Rewiring” ini dapat meningkatkan proses penanganan kelebihan daya dan menghasilkan cara baru yang efisien untuk memanfaatkan kekuatannya. Kredit: Tommy Peake

“Tidak ada yang mempelajari dengan baik bagaimana molekul ini berinteraksi dengan mekanisme fotosintesis pada tahap awal fotosintesis: kami pikir kami menggunakan teknik baru untuk mengkonfirmasi apa yang sudah kami ketahui,” kata Zhang. “Sebaliknya, kami telah menemukan jalur yang benar-benar baru, dan kami telah sedikit membuka kotak hitam fotosintesis.”

Menggunakan spektroskopi ultra cepat untuk memantau elektron, para peneliti menemukan bahwa perancah protein di mana reaksi kimia awal fotosintesis terjadi “bocor”, memungkinkan elektron untuk melarikan diri. Rembesan ini dapat membantu tanaman melindungi diri dari kerusakan akibat cahaya terang atau perubahan cepat.

“Fisika fotosintesis sangat mengesankan,” kata rekan penulis pertama Tomi Baikie, dari Laboratorium Cavendish di Cambridge. “Biasanya, kami bekerja dengan bahan tingkat tinggi, tetapi mengamati transportasi muatan melalui sel membuka peluang luar biasa untuk penemuan baru tentang cara kerja alam.”

kata rekan penulis pertama Dr Laura Way, yang bekerja di Departemen Biokimia, sekarang berbasis di Universitas Turku, Finlandia. “Fakta bahwa kami tidak mengetahui keberadaan jalur ini sangat menarik, karena kami dapat memanfaatkannya untuk mengekstraksi lebih banyak energi dari energi terbarukan.”

Mampu mengekstraksi kargo di awal proses fotosintesis, kata para peneliti, dapat membuat proses lebih efisien saat memanipulasi jalur fotosintesis untuk menghasilkan bahan bakar bersih dari matahari. Selain itu, kemampuan untuk mengatur fotosintesis dapat berarti bahwa tanaman lebih mampu menahan sinar matahari yang intens.

“Banyak ilmuwan telah mencoba mengekstraksi elektron dari titik awal fotosintesis, tetapi mereka mengatakan itu tidak mungkin karena energinya terkubur di perancah protein,” kata Zhang. “Fakta bahwa kami dapat mencurinya dalam operasi sebelumnya sungguh menakjubkan. Awalnya, kami pikir kami telah melakukan kesalahan: butuh beberapa saat bagi kami untuk meyakinkan diri sendiri bahwa kami telah melakukannya.”

Kunci penemuan ini adalah penggunaan spektroskopi ultracepat, yang memungkinkan para peneliti mengikuti aliran energi dalam sel fotosintesis hidup dalam skala femtosecond—seperseribu dari seperseribu detik.

“Menggunakan metode ultra-cepat ini memungkinkan kami untuk memahami lebih banyak tentang peristiwa awal fotosintesis, yang menjadi dasar kehidupan di Bumi,” kata rekan penulis Profesor Christopher Howe, dari Departemen Biokimia.

Referensi: “Fotosintesis Dipasang Kembali pada Skala Waktu Pikodetik” oleh Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao dan Jenny Zhang, 22 Maret 2023, Tersedia di sini. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Penelitian ini didukung sebagian oleh Dewan Riset Teknik dan Ilmu Fisika (EPSRC), Dewan Riset Bioteknologi dan Ilmu Biologi (BBSRC) dan merupakan bagian dari Riset dan Inovasi Inggris (UKRI), serta Program Winton untuk Fisika Berkelanjutan di Universitas. Cambridge, Commonwealth of Cambridge, European and International Fund, dan Program Riset dan Inovasi EU Horizon 2020. Jenny Zhang adalah David Phillips Fellow di Departemen Kimia, dan Fellow di Corpus Christi College, Cambridge. Tomi Baikie adalah Rekan NanoFutures di Laboratorium Cavendish. Laura Way adalah Postdoctoral Fellow di Novo Nordisk Foundation, University of Turku.