革新的な光合成ハックが、再生可能エネルギーのブレークスルーへの道を開く

研究者は初期段階を「ハッキング」しました[{” 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.

光合成は広く知られ、広く研究されているプロセスですが、ケンブリッジ大学の研究者は、光合成にはまだ秘密が隠されていることを発見しました。 超高速分光技術を使用することにより、彼らは、光合成を担う分子構造からの電子抽出が、以前に想定されていたよりも早い段階で発生することを発見しました。 この光合成の「再配線」は、過剰なエネルギーのより良い管理と、その可能性を活用するための新しい、より効率的な方法の開発につながる可能性があります. クレジット: Mary Ayers

「私たちは思ったほど光合成について知らなかったので、ここで見つかった新しい電子伝達経路は非常に驚くべきものです。

光合成は自然なプロセスですが、科学者は、光合成プロセスをシミュレートして太陽光と水からクリーンな燃料を生成するなど、気候危機への取り組みにどのように使用できるかについても研究しています。

張と彼女の同僚はもともと、キノンと呼ばれるリング状の分子が光合成から電子を「盗む」ことができる理由を理解しようとしていました。 アルケノンは自然界で一般的であり、電子を簡単に受け入れたり放棄したりできます。 研究者たちは、超高速過渡吸収分光法と呼ばれる技術を使用して、光合成シアノバクテリアでキノンがどのように振る舞うかを研究しました。

科学者の国際チームは、100 万分の 1 秒という超高速時間スケールで生きた細胞の光合成のプロセスを研究しました。 広範な研究にもかかわらず、光合成はまだ未発見の秘密を保持しています。 超高速分光技術を使用して、チームは、化学物質が、以前考えられていたよりもはるかに早い段階で、光合成に関与する分子構造から電子を抽出することを発見しました。 この「再配線」は、プロセスの過剰な電力の処理を強化し、その電力を活用するための新しい効率的な方法を生み出すことができます。 クレジット: Tommy Peake

「光合成のこのような初期段階で、この分子が光合成のメカニズムとどのように相互作用するかを適切に研究した人は誰もいませんでした.私たちは、すでに知っていることを確認するために新しい技術を使用していると考えていました. 「代わりに、まったく新しい経路を発見し、光合成のブラックボックスを少し開けました。」

超高速分光法を使用して電子を監視したところ、研究者は、光合成の最初の化学反応が起こるタンパク質足場が「漏れやすく」、電子が逃げることを可能にしていることを発見しました。 この浸透は、植物が明るい光や急速に変化する光による損傷から身を守るのに役立ちます。

「光合成の物理学は信じられないほど印象的です」と、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の共著者であるトミ・バイキーは述べています。 「通常、私たちは高次の物質を扱っていますが、細胞を介した電荷輸送を観察することで、自然のしくみについて新しい発見をする素晴らしい機会が開かれます。」

現在はフィンランドのトゥルク大学に本拠を置く生化学科で研究を行った共同筆頭著者のローラ・ウェイ博士は、次のように述べています。 「この経路が存在することを知らなかったという事実は刺激的です。なぜなら、それを利用して再生可能エネルギーからより多くのエネルギーを抽出できるからです。」

研究者らは、光合成プロセスの早い段階で貨物を抽出できるようになれば、光合成経路を操作して太陽からクリーンな燃料を生成する際のプロセスをより効率的にすることができると述べています。 さらに、光合成を調節する能力は、作物が強い日光に耐えることができることを意味するかもしれません.

「多くの科学者が光合成の初期段階から電子を取り出そうと試みてきましたが、エネルギーがタンパク質の足場に埋もれているため、それは不可能だと彼らは言いました」と Zhang 氏は述べています。 「以前の作戦でそれを盗むことができたという事実は驚くべきことです。最初、私たちは間違いを犯したと思いました。自分たちがそれをしたと確信するまでにしばらく時間がかかりました。」

この発見の鍵となったのは、超高速分光法の使用でした。これにより、研究者は生きている光合成細胞のエネルギーの流れをフェムト秒スケール (1000 分の 1 兆分の 1 秒) で追跡することができました。

「これらの超急速な方法を使用することで、地球上の生命が依存する光合成の初期の出来事について、より多くの理解を得ることができました」と、共著者である生化学科のクリストファー・ハウ教授は述べています。

参照: 「ピコ秒の時間スケールで再配線された光合成」Tommy K. Paiki、Laura TY、Joshua M. Lawrence、Heights Medipaly、Erwin Reisner、Mark M. Nowaczyk、Richard H. Friend、Christopher J. Howe、Christophe Schneiderman、Akshay 著Rao と Jenny Zhang、2023 年 3 月 22 日、こちらから入手可能。 自然.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

この研究は、エンジニアリングおよび物理科学研究評議会 (EPSRC)、バイオテクノロジーおよび生物科学研究評議会 (BBSRC) によって部分的に支援され、英国の研究およびイノベーション (UKRI) の一部であり、持続可能性物理学のウィントン プログラムでもあります。大学。 ケンブリッジ、ケンブリッジ連邦、欧州および国際基金、および EU ホライズン 2020 研究およびイノベーション プログラムジェニー チャンは、化学科のデビッド フィリップス フェローであり、ケンブリッジのコーパス クリスティ カレッジのフェローでもあります。 Tomi Baikie は、Cavendish Laboratory の NanoFutures フェローです。 ローラ ウェイは、トゥルク大学ノボ ノルディスク財団の博士研究員です。