“الاختراق” الذكي للخلايا الكهروضوئية يمهد الطريق لاختراقات الطاقة المتجددة

قام الباحثون “باختراق” المراحل الأولى من[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=p-c5wvr_U-I
على الرغم من أن التمثيل الضوئي هو عملية معروفة على نطاق واسع ومدروسة على نطاق واسع ، إلا أن الباحثين في جامعة كامبريدج اكتشفوا أنها لا تزال تحتوي على العديد من الأسرار الخفية. باستخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، وجدوا أن استخراج الإلكترون من الهياكل الجزيئية المسؤولة عن التمثيل الضوئي يحدث في مراحل مبكرة مما كان يعتقد سابقًا. يمكن أن يؤدي “تجديد الأسلاك” لعملية التمثيل الضوئي إلى إدارة أفضل للطاقة الزائدة وتطوير طرق جديدة أكثر كفاءة لتسخير إمكاناتها. الائتمان: مايري آيرس

وقالت الدكتورة جيني زانج من قسم الكيمياء يوسف حامد في كامبريدج ، والتي نسقت البحث: “لا نعرف الكثير عن التركيب الضوئي كما كنا نظن ، ومن المدهش تمامًا اكتشاف مسار جديد لنقل الإلكترون هنا”.

على الرغم من أن عملية التمثيل الضوئي هي عملية طبيعية ، إلا أن العلماء يبحثون أيضًا في كيفية استخدامها لمعالجة أزمة المناخ من خلال تكرار عمليات التمثيل الضوئي لإنتاج وقود نظيف من ضوء الشمس والماء.

سعى زانغ وزملاؤه في البداية إلى فهم سبب قدرة جزيء على شكل حلقة يسمى كينون على “سرقة” الإلكترونات من عملية التمثيل الضوئي. الكينونات شائعة في الطبيعة ويمكنها بسهولة قبول الإلكترونات والتبرع بها. استخدم الباحثون تقنية تسمى التحليل الطيفي للامتصاص العابر فائق السرعة لدراسة كيفية عمل الكينونات على البكتيريا الزرقاء الضوئية.

درس فريق دولي من العلماء عملية التمثيل الضوئي في الخلايا الحية على مقياس زمني فائق السرعة يصل إلى أجزاء من المليون من الثانية. على الرغم من دراستها على نطاق واسع ، إلا أن التمثيل الضوئي يحمل العديد من الأسرار غير المكتشفة. باستخدام تقنيات التحليل الطيفي فائقة السرعة ، اكتشف الفريق أن المواد الكيميائية تستخرج الإلكترونات من الهياكل الجزيئية المشاركة في التمثيل الضوئي في مراحل مبكرة جدًا مما كان يُعتقد سابقًا. يمكن أن يؤدي هذا “إعادة الأسلاك” إلى تحسين عملية التعامل مع الطاقة الزائدة وإنشاء طرق جديدة أكثر كفاءة لتسخير قوتها. الائتمان: تومي بيكي

قال تشانغ: “لم يدرس أحد بالضبط كيف يتفاعل هذا الجزيء مع آلية التمثيل الضوئي خلال المراحل الأولى من عملية التمثيل الضوئي: نحن نستخدم تقنية جديدة لتأكيد ما نعرفه بالفعل”. “بدلاً من ذلك ، وجدنا مسارًا جديدًا وفتحنا الصندوق الأسود لعملية التمثيل الضوئي قليلاً.”

باستخدام التحليل الطيفي فائق السرعة لفحص الإلكترونات ، وجد الباحثون أن سقالة البروتين ، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية الأولية لعملية التمثيل الضوئي ، “ متسربة ” ، مما يسمح للإلكترونات بالهروب. يساعد هذا التسرب النباتات على حماية نفسها من الضوء الساطع أو المتغير بسرعة.

قال المؤلف الأول المشارك تومي بيككي من مختبر كافنديش في كامبريدج: “إن فيزياء التمثيل الضوئي رائعة للغاية”. “

قالت المؤلفة المشاركة الأولى الدكتورة لورا وي ، التي عملت في الكيمياء الحيوية وهي الآن في جامعة توركو: “نظرًا لتناثر إلكترونات التركيب الضوئي في جميع أنحاء النظام ، يمكننا الوصول إليها”. فنلندا. “حقيقة أننا لم نكن نعلم بوجود هذا المسار أمر مثير لأنه يمكن استخدامه لاستخراج المزيد من الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة.”

يقول الباحثون أنه إذا أمكن استخلاص الشحنات في مرحلة مبكرة من عملية التمثيل الضوئي ، فستكون العملية أكثر كفاءة عند معالجة مسارات التمثيل الضوئي لإنتاج وقود نظيف من الشمس. بالإضافة إلى ذلك ، فإن القدرة على تنظيم التمثيل الضوئي تعني أن المحاصيل يمكنها تحمل أشعة الشمس الشديدة.

قال تشانغ: “حاول العديد من العلماء استخلاص الإلكترونات من النقطة السابقة لعملية التمثيل الضوئي ، لكنهم قالوا إن ذلك مستحيل لأن الطاقة كانت مدفونة داخل سقالة البروتين”. “كان من المذهل أن نتمكن من سرقتها في وقت مبكر جدًا من العملية. في البداية ، اعتقدنا أننا ارتكبنا خطأ: استغرق الأمر بعض الوقت للاعتقاد بأننا فعلنا ذلك.

كان مفتاح الاكتشاف هو استخدام التحليل الطيفي فائق السرعة ، والذي سمح للباحثين بمتابعة تدفق الطاقة في خلايا التمثيل الضوئي الحية بمقياس الفيمتو ثانية – جزء من ألف من تريليون من الثانية.

قال المؤلف المشارك كريستوفر هاو من قسم الكيمياء الحيوية: “إن استخدام هذه الأساليب فائقة السرعة سمح لنا بفهم المزيد عن الأحداث المبكرة لعملية التمثيل الضوئي ، والتي تعتمد عليها الحياة على الأرض”.

ملاحظة: Tommy K. بيكي ، لورا د. وي ، جوشوا م. لورانس ، هايتش ميديبالي ، إروين ريزنر ، مارك م. نوواسيك ، ريتشارد هـ. صديق ، كريستوفر ج. “إعادة الاتصال الضوئي على مقياس Pico-Second Times” بقلم Howe ، و Christoph Schnedermann ، و Akshay Rao ، و Jenny Z. Zhang ، 22 مارس 2023 ، طبيعة.
DOI: 10.1038 / s41586-023-05763-9

تم دعم البحث جزئيًا من قبل مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية (EPSRC) ، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية في المملكة المتحدة (UKRI) ، وبرنامج وينتون للفيزياء من أجل الاستدامة في الجامعة. كامبريدج ، كامبريدج كومنولث ، المؤسسة الأوروبية والدولية وبرنامج البحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي هورايزون 2020. جيني زانغ يوسف حامد هي زميلة ديفيد فيليبس في الكيمياء وزميلة في كلية كوربوس كريستي ، كامبريدج. Tomi Biiki زميل في NanoFutures في مختبر كافنديش. لورا فاي طالبة دراسات عليا في مؤسسة نوفو نورديسك بجامعة توركو.