Använda icke -destruktiva neutronspridningstekniker, forskare undersöker hur encelliga organismer som kallas cyanobakterier producerar syre och får energi genom fotosyntes.

Samarbetspartners från Washington University i St. Louis och US Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) genomför en rad experiment för att studera beteendet hos phycobilisomes-stora antennproteinkomplex i cyanobakterieceller-med hjälp av Bio-SANS instrument, beamline CG -3, vid laboratoriets High Flux Isotope Reactor (HFIR). Phycobilisomes skördar ljus för att initiera fotosyntes, och en bättre förståelse av denna process kan hjälpa forskare att designa effektivare solpaneler och andra konstgjorda strukturer som efterliknar naturliga system.

Neutroner kan analysera dessa känsliga strukturer utan att skada eller döda dem och med mer rumslig noggrannhet än andra tekniker som mikroskopi.

"Med Bio-SANS, vi kan faktiskt se vad som händer på nanoskala nivå i realtid i en levande cell, "sa ORNL -forskaren Hugh O'Neill.

Phycobilisomes fäster vid cellulära membran där de ljusberoende reaktionerna vid fotosyntesen äger rum. Att byta antennkomplex i phycobilisomes kan få dramatiska och långtgående konsekvenser i cyanobakterier.

"Vi är intresserade av att modifiera dessa antennsystem och observera de resulterande strukturförändringarna, "sa Washington Universitys Michelle Liberton.

Under tidigare besök på ORNL, laget förändrade artificiellt phycobilisomes genom att radera vissa gener i cellerna. Dessa modifieringar orsakade strukturella defekter i cellmembranen och andra drastiska förändringar i cellfysiologin.

Nu modifierar de naturligtvis antennkomplexen genom att svälta cyanobakterierna för kväve, ett näringsämne som är viktigt för deras grundläggande funktioner. Denna utarmningsprocess gör att antennen minskar i storlek, vilket i sin tur leder till betydande cellarrangemang och modifieringar i membranlagren.

Denna händelsekedja inträffar eftersom cellerna bryter ner phycobilisomes och använder dem som en alternativ kvävekälla för att överleva.

"Fykobilisomen antennkomplex är ett stort lager av mikronäringsämnen i cellerna, "Liberton förklarade." När komplexet försämras, cellerna har tillgång till material som de inte längre kan få från miljön. "

Genom att bestämma omfattningen av dessa förändringar, laget hoppas kunna bättre förstå struktur-funktion-förhållandet mellan cellulär organisation och naturlig modifiering. Dessa processer kan omedelbart reverseras genom att kväve återställs till cellerna.

Forskarna planerar att jämföra dessa resultat med resultaten från deras genetiska studier för att utforska skillnaderna mellan artificiella och naturliga modifieringar och deras effekter på cyanobakteriernas intracellulära smink.

Dessa fynd stöder fotosyntetiskt antennforskningscenter (PARC), ett DOE-finansierat Energy Frontier Research Center baserat vid Washington University sedan 2009. Centret samlar ett internationellt nätverk av experter från akademin och forskningsanläggningar, inklusive ORNL, att studera antennsystem och deras roll i fotosyntesen.

"På den grundläggande nivån, denna forskning är relaterad till hur effektiva naturliga system använder solsken, "sa Bio-SANS instrumentforskare och PARC-samarbetspartner Volker Urban.

Sådana insikter är ovärderliga för PARC -bidragsgivarna som hoppas kunna förbättra hållbar teknik inspirerad av naturvärlden.