2023. február 8., szerda
Aranka névnapja

Élet a fényből avagy a fotoszintézis a tudomány szolgálatában

2023-01-20 11:22 | Nézettség: 35
A fotoszintézis biofizikájának ultragyors, nanoszintű folyamatainak részletesebb megismeréséhez nyit meg új irányokat az a publikáció, amely a brit Royal Society (UK) Open Biology folyóiratában jelent meg a Szegedi Biológiai Kutatóközpont, a Szegedi Tudományegyetem és az ELI-ALPS közös kutatásának eredményeképpen.

Ez a felismerés egy 1963 óta elfogadott elméletet döntött meg a PSII sötét-fény átmenetét kísérő fluoreszcencia átmenetek eredetéről. Az erre épített technika ma is az egyik legszélesebb körben használt módszer a fotoszintézis-kutatásban, ezért a kérdés tisztázása alapvető fontosságú lehet.

A fotoszintézis ultragyors folyamatainak megismerését célzó kutatásba az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet is bekapcsolódott. A megkérdezett kutatók egyetértettek abban, hogy az ELI-ALPS nagyenergiájú terahertzes lézerimpulzusai segítségével új megvilágításba helyezhetik a fotokémiai reakciócentrumokban lejátszódó folyamatokat. Az SZBK-SZTE-ELI-ALPS együttműködésében egy új kutatási projekt első megbeszélése máris szerveződik Szegeden.
 

Kép és a videó forrása: https://www.youtube.com/watch?v=q3BxKzAkS6A

A fotoszintézis tudományterületéről a kutatócsoport vezetője, Dr. Garab Győző biofizikus emeritus kutatóprofesszor (SZBK) és Dr. Nagy László biofizikus, az SZTE SZAOK és TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet egyetemi docense elmondta, hogy az alapfolyamatok mára már javarészt tisztázottak; a tudományos eredményeket eddig 10 kémiai Nobel-díj ismerte el. Mégsem lehet lezártnak tekinteni a fotoszintézis-kutatást. A folyamat ugyanis egy mindössze 10 nanométer nagyságrendű molekula-komplexben játszódik, amelynek atomi szintű kristályszerkezetét csak a legújabb technológiák írták le. A fényenergiaátalakítás folyamatai is rendkívül összetettek és ultragyorsan zajlanak. A térben pedig nanométernyi távolságokon több mint száz különböző fehérje, több tucatnyi különböző lipid és sok-sok ezer pigment molekula vesz részt a fényenergia átalakításában. Eközben akár több százezer Volt/centiméter erősségű, időben is változó elektromos erőterek alakulnak ki. Az egymást követő folyamatoknak ez a gyors és dinamikus jellege még feltáratlan területeket hagy nyitva a fotoszintézis biofizikájának kutatói számára.
 
A szegedi kutatócsoport a növények második fotokémiai rendszere (PSII) és az evolúciós elődjének számító bakteriális reakciócentrum működése közötti hasonlóságokra összpontosította figyelmét. Vizsgálataikban a növényi PSII magasan szervezett fehérjekomplexét tanulmányozták ismételt fényimpulzusok hatása alatt, és megállapították, hogy ennek során a fehérje szerkezete megváltozik, ami – meglepő módon – függött a fényimpulzusok követési idejétől. Adataik fényt derítettek arra is, hogy a fehérje „emlékszik” a korábbi megvilágítási eseményekre. Ez a „memória” csak úgy „kódolható” a proteinben, ha a gerjesztések követési távolsága kellően nagy az ultragyors folyamatokhoz képest. A kutatók úgy gondolják, valami korábban ismeretlen folyamat befejezését kell megvárni a két esemény között.
 
Ez a felismerés egy 1963 óta elfogadott elméletet döntött meg a PSII sötét-fény átmenetét kísérő fluoreszcencia átmenetek eredetéről. Az erre épített technika ma is az egyik legszélesebb körben használt módszer a fotoszintézis-kutatásban, ezért a kérdés tisztázása alapvető fontosságú lehet.
 
– A jelenleg rendelkezésre álló adatok erősen sugallják a bakteriális reakcióközpont és második fotokémiai rendszer komplexek hasonló dinamikáját, hasonló fizikai mechanizmusait. De rengeteg tényezőt kell megvizsgálnunk ahhoz, hogy innen előre jussunk. A töltésstabilizálódás például messze nem triviális; ott, azon a pár 10 angströmnyi környéken valaminek történnie kell, ami stabilizálja ezeket a töltés-párokat – vélik az SZBK és az SZTE kutatói. A kétféle fotokémiai centrum kutatása korábban szinte párhuzamosan futott Szegeden: Dr. Nagy László évtizedek óta foglalkozott a bakteriális reakciócentrum témájával, míg Dr. Garab Győző és munkatársai növényi rendszereket vizsgáltak. Most ezt a két kutatási irányt egyesítették.
 
A fotoszintézis ultragyors folyamatainak megismerését célzó kutatásba az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet is bekapcsolódott. A megkérdezett kutatók egyetértettek abban, hogy az ELI-ALPS nagyenergiájú terahertzes lézerimpulzusai segítségével új megvilágításba helyezhetik a fotokémiai reakciócentrumokban lejátszódó folyamatokat. Az SZBK-SZTE-ELI-ALPS együttműködésében egy új kutatási projekt első megbeszélése máris szerveződik Szegeden.
 
A fotoszintézis energiamérlegének összméretére jellemző, hogy a napenergiából átalakított kémiai energia éves átlagos teljesítménye a Földön 120 TW, míg az emberiség éves energiafelhasználása jelenleg mintegy 16-17 TW. Ez a teljesítmény a fotoszintetikus energiaátalakítást a legnagyobb globális energiaátalakítási folyamattá teszi. Ugyanakkor a fotoszintézis energiaátalakító hatékonysága nem túl nagy, a termesztett növények a rájuk eső napenergiának mindössze kb. 1%-át alakítják át biomasszává.
 
A kutatók szerint a természetes fotoszintézis újratervezése is valós tudományos célkitűzés. Fotoszintézis 2.0 néven jelenleg is nemzetközi program épül arra a célra, hogy a haszonnövények egyes tulajdonságait felerősítsék a fotoszintézis áttervezése révén. Ha a szántóföldi körülmények között mérhető 1%-os növényi fényenergia-átalakítási hatásfokot sikerülne 2%-ra emelni, az akár az élelmiszertermelés megduplázódását is jelenthetné.