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Rubrik: Wissenschaft

Auf der Spur des Photosynthese-Geheimnisses von Algen

Montag, 26. Dezember 2016, 08:51

Seit Millionen von Jahren verfeinern photosynthetische Algen ihre Technik zur Lichtaufnahme. Ihre Lichtsammelkomplexe (Proteine, die Licht absorbieren, um in Energie umgewandelt zu werden) sind so leistungsstark, dass Wissenschaftler jetzt versucht haben, sie zu verstehen und nachzuahmen. Ziel ist die Entwicklung neuer Anwendungen für erneuerbare Energien

Kryptophyten-Algen

Mikroskop-Aufnahme von Kryptophyten-Algen, Foto: © Desmond Toa

Forscher an der Princeton University haben einen Mechanismus aufgedeckt, der die Lichtsammelraten der Kryptophyten-Alge Chroomonas mesostigmatica erhöht. Die Ergebnisse der Forschung, die vor kurzem in der Zeitschrift Chem veröffentlicht wurden, liefern wertvolle Einblicke in die Gestaltung künstlicher Lichtsammelsysteme wie Molekularsensoren und Solarkollektoren.

Kryptophyten-Algen leben oft unter Organismen, die die meisten Sonnenstrahlen absorbieren. Als Reaktion haben sie sich auf die Wellenlängen des Lichts spezialisiert, die nicht von den Organismen über ihnen absorbiert werden: hauptsächlich die gelb-grünen Farben. Sie sammeln diese gelb-grüne Lichtenergie und leiten sie durch ein Netzwerk von Molekülen, die sie in rotes Licht umwandelt, was wichtig für die Chlorophyll-Moleküle ist, damit sie die Fotosynthese durchführen können.

Die Wissenschaftler waren schon immer fasziniert von der Geschwindigkeit der Energieübertragung. Ihre Prognosen waren allerdings etwa dreimal langsamer als die tatsächlich beobachteten Raten. „Wir konnten nie verstehen, warum der Prozess, die Energie durch das Protein zu leiten, so schnell ist", sagt Gregory Scholes von der Princeton University.

Im Jahr 2010 entdeckte sein Team, dass diese schnellen Raten aufgrund eines Phänomens namens Quantenkohärenz zustande kommen, in denen Moleküle eine gemeinsame elektronische Erregung nutzen und die Energie nach quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsgesetzen übertragen statt nach klassischer Physik. Allerdings konnten sie nicht genau erklären, wie Kohärenz genau arbeitet – bis jetzt.

Mit Hilfe eines Verfahrens, das mit ultraschnellen Lasern arbeitet, messen die Forscher die Lichtabsorption der Moleküle und verfolgen den Energiefluss durch das System. Normalerweise würden sich die Absorptionssignale überlappen, was es unmöglich macht, diese bestimmten Molekülen innerhalb des Proteinkomplexes zuzuordnen. Jedoch war das Team in der Lage, die Signale zu schärfen: durch starke Kühlung der Proteine auf sehr niedrige Temperaturen.

Die Forscher beobachteten das System, während Energie von Molekül zu Molekül übertragen wurde, von energiereichem grünem Licht zu energiereichem rotem Licht, wobei überschüssige Energie als Schwingungsenergie verloren ging. Sie fanden ein spezifisches Spektralmuster, das für eine Schwingungsresonanz (oder Vibrationsanpassung) zwischen den Sender und den Empfängermolekülen verantwortlich ist.

Dank der Schwingungsanpassung konnte die Energie viel schneller übertragen werden. Der Effekt stellte einen Mechanismus für die vorher berichtete Quantenkohärenz zur Verfügung. Auf dieser Grundlage berechneten die Forscher ihre Vorhersagen neu und kam zu einer Rate, die jetzt etwa dreimal schneller war.

Die Forscher beabsichtigen jetzt, verwandte Proteine zu untersuchen, um zu untersuchen, ob dieser Mechanismus auch in anderen photosynthetischen Organismen zu finden ist. Zudem hoffen die Wissenschaftler, auf Basis der neuen Erkenntnisse Lichtsammelkomplexe mit perfekter Energieübertragung zu entwickeln.

Link zur Studie (PDF-Datei): www.cell.com/chem/pdf/S2451-9294(16)30229-7.pdf.

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