Naukowcy z Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych Centrum Nowych Technologii UW, we współpracy z międzynarodowymi partnerami, wyjaśnili, w jaki sposób ewoluował fotosystem I (PSI), aby skutecznie wychwytywać i przekształcać energię słoneczną w różnych organizmach fotosyntetycznych.
Fotosystem I (PSI) jest naturalnym biofotokatalizatorem, który z wyjątkowo wysoką wydajnością kwantową przekształca energię światła słonecznego w energię chemiczną. Mimo jego kluczowej roli w fotosyntezie mechanizmy ewolucji szlaków transferu energii – od sinic, przez glony, po rośliny lądowe – nie zostały dotychczas w pełni poznane.
Wykorzystując dwuwymiarową spektroskopię elektronową w ultraniskich temperaturach w połączeniu z zaawansowanym modelowaniem dynamiki kwantowej, naukowcy zbadali PSI jednokomórkowego ekstremofilnego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae. Wyniki wykazały, że kompleks ten zawiera dwie przestrzennie odrębne, niskoenergetyczne „pułapki” – domeny, do których kierowana jest pochłonięta energia wzbudzenia. Są one zlokalizowane zarówno w rdzeniu PSI (gdzie zachodzi rozdział ładunku i transport elektronów pod wpływem światła), jak i w otaczającej go antenie wychwytującej energię słoneczną.
Taka organizacja stanowi ewolucyjne ogniwo pośrednie pomiędzy PSI u sinic, w którym energia wzbudzenia jest kierowana głównie do rdzenia, a PSI roślin lądowych, gdzie niskoenergetyczne stany są związane przede wszystkim z anteną. System występujący u krasnorostów łączy zatem elementy obu tych architektur.
Badania wykazały również, że rozdział energii wzbudzenia pomiędzy poszczególne pułapki energetyczne zmienia się wraz z temperaturą. Pomimo tej redystrybucji PSI zachowuje zdolność do wydajnego pułapkowania energii, umożliwiając jej skuteczne przekształcanie w energię chemiczną. Wyniki wskazują, że ewolucyjna rozbudowa anteny zmieniła sposób przepływu energii, nie obniżając jednocześnie wydajności fotosyntezy.
Odkrycie pogłębia wiedzę na temat ewolucji fotosyntezy, a zarazem dostarcza ogólnych zasad projektowania wydajnych i stabilnych sztucznych układów konwersji energii słonecznej. Rozdzielenie energii wzbudzenia pomiędzy wiele przestrzennie odseparowanych szlaków może pomóc w opracowaniu przyszłych technologii słonecznych łączących wysoką sprawność konwersji energii ze zdolnością adaptacji do zmiennych warunków środowiskowych.
Badania przeprowadzono pod kierunkiem prof. Joanny Kargul z Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych CeNT UW, przy znaczącym udziale dr Miriam Izzo. W pracach uczestniczyli również prof. Hong-Guang Duan i prof. Fulu Zheng wraz ze swoimi zespołami z Ningbo University, dr Ajay Jha i jego współpracownicy z University of Oxford oraz prof. R.J. Dwayne Miller wraz z zespołem z University of Toronto.