Tänk på ett tåg som kommer ner på spåren till en omkopplingspunkt där det kan gå antingen till höger eller vänster - och det går alltid till höger.

Fotosyntetiska organismer har en liknande omkopplingspunkt. Efter att solljuset har absorberats, energi överförs snabbt till ett protein som kallas reaktionscentrum. Från denna punkt, elektronerna kan flytta antingen till en A-gren (eller "rätt spår") uppsättning molekyler, eller till en B-gren ("vänster spår") uppsättning identiska molekyler.

Ny forskning från Washington University i St. Louis och Argonne National Laboratory lockar elektroner längs banan som de vanligtvis inte reser-vilket ökar förståelsen för de tidigaste ljusdrivna händelserna vid fotosyntesen. Resultaten publicerades 31 december i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).

"I bakteriereaktionscentret, en elektron går till A-grenen av molekyler 100% av tiden. Vi har fått det att gå till B-grenmolekylerna 90% av tiden, "sa Christine Kirmaier, forskningsprofessor i kemi i konst och vetenskap.

"Trots allt, om du tror att du förstår hur tåget och spåren fungerar, varför skulle du inte kunna få tåget att gå till vänster snarare än till höger? Det är i princip vad vi har gjort, Sa Kirmaier.

"Varför två spår har utvecklats är fortfarande en öppen fråga, men möjligheten att kontrollera vilket spår som används är spännande, "sa Philip D. Laible, en biofysiker inom biovetenskapsavdelningen vid Argonne National Laboratory och en annan huvudförfattare på tidningen.

"Vi skulle vilja göra växlingen mellan dem till ett mer välförstått fenomen så att vi lätt kunde leda elektroner (förlåt ordvitsen) till vilken destination som helst i en biologisk process, "sa han." Just nu, vi kontrollerar funktioner som gör att elektroner kan transversera ett biologiskt membran - det första steget för att få energi från solljus i denna organism. "

Gör om en väg

Växter, alger och fotosyntetiska bakterier omvandlar solljusets energi till laddningsseparerade enheter som de använder för att driva livsprocesser på jorden. Och de gör det på ett mycket specifikt sätt:Reaktionscentra i dessa organismer har två spegelbildliknande arrangemang av protein- och pigmentkofaktorer, A- och B -sidorna. Endast en av dessa kedjor är aktiv - A -sidan - medan B -sidan är tyst.

Kirmaier, med medarbetaren Dewey Holten, professor i kemi vid Washington University, och teamet vid Argonne National Laboratory har utformat många iterationer av fotosyntetiska mutanter med målet att uppnå laddningsseparering med hjälp av B -grenen istället. Den nya forskningen omarbetar en väg i en lila fotosyntetisk bakterie, en av naturens solceller.

"Med hjälp av molekylär biologi, vi har bytt aminosyror runt pigmenten för att försöka hitta den magiska kombinationen för att få B -grenen att fungera, " Hon sa.

Spelet var att göra strukturella förändringar som avstämde, eller göra det mindre optimalt, elektronöverföringar längs A -sidan eller normal väg - och sedan, på samma gång, påskynda reaktionerna längs B -sidan.

Forskarna kunde intensifiera denna trial-and-error-process genom att testa alla möjliga aminosyror på en specifik målplats på A- eller B-sidan, att hitta en eller flera som förbättrar avkastningen på B-sidan. De bar sedan den "träff" framåt i den mutanta bakgrunden för att undersöka nästa målplats, och så vidare.

"Det var oväntat, "Sa Kirmaier." Vi valde en webbplats, och i en av våra bästa mutanta bakgrunder, placerade alla 20 aminosyror där - och en av dem gav oss ett 90% utbyte. "

"Detta är ett genombrott och något som [alla inom] området aktivt har försökt lista ut i decennier-ända sedan vi först såg ögonen på de två spåren i en högprofilerad strukturstudie i Nature för nästan 35 år sedan, "säger Deborah K. Hanson från biovetenskapsavdelningen, Argonne National Laboratory, en annan huvudförfattare till PNAS papper.

Ompröva fotosyntesens historia

Det nya arbetet belyser grundläggande struktur-funktionsprinciper som styr effektiva, ljusinducerad elektronöverföring.

Denna kunskap kan underlätta design av biohybrid och bioinspirerade system för energiomvandling och lagring, sa forskarna. Resultaten kommer också att framkalla ytterligare experiment och analyser.

"Resultaten väcker många frågor om vad som krävs för att få enriktad laddningsseparation, Sa Holten.

I naturen, lila bakterier gör initial laddningsseparation med en tvåstegsprocess som äger rum på flera biljondelar av en sekund. Men lagets nya B-branch-lösning får nästan samma avkastning, även om den använder en tandemprocess i ett steg som tar 5-10 gånger längre tid.

"I fotosyntesens ursprungliga historia, kanske en sådan kombination av snabba tvåstegs- och långsammare enstegsprocesser gav ett utbyte på 80 eller 90%-och sedan, över tid, det optimerade, Sa Holten.