Fotosyntes kräver en mekanism för att producera stora mängder kemisk energi utan att förlora den oxidativa kraft som behövs för att bryta ner vatten. Ett japanskt forskargrupp har förtydligat en del av denna mekanism, markera ytterligare ett steg mot den potentiella utvecklingen av artificiell fotosyntes. Resultaten publicerades den 27 februari i onlineutgåvan av Journal of Physical Chemistry Letters .

Teamet leddes av professor KOBORI Yasuhiro (Kobe University Molecular Photoscience Research Center) och doktorand HASEGAWA Masashi (Graduate School of Science) med docent MINO Hiroyuki (Nagoya University Graduate School of Science).

Under vattensplittningsreaktionen vid fotosyntes, växter producerar syre genom att omvandla solenergi till kemisk energi, tillhandahålla den energikälla som är nödvändig för deras överlevnad. Denna reaktion utförs av ett proteinkomplex i kloroplaster (i blad) som kallas fotosystem II -komplexet (se figur 1).

År 2015 lyckades professor Koboris forskargrupp analysera de elektroniska interaktionerna och den tredimensionella placeringen av den ursprungliga laddningsseparationen som produceras direkt efter fotoreaktion i det fotosyntetiska reaktionscentrumet för lila bakterier, som inte orsakar oxidationspotentialen för vattenspridning. Dock, i fotosystem II -komplexet för högre växter, konfigurationen av det ursprungliga laddningsseparationsläget var oklart, och det var ett mysterium om hur det ledde till en effektiv vattensplittande reaktion med bibehållen hög oxidativ effekt.

Forskarna extraherade tylakoidmembran (där fotoreaktionen sker i fotosyntesen) från spenat, tillsatt ett reduktionsmedel, och bestrålade proverna. Detta gjorde det möjligt för dem att detektera mikrovågssignaler från det ursprungliga laddningsseparationsläget till en noggrannhetsgrad på 10 miljon sekunder av en sekund (se figur 3a). De utvecklade en metod för att analysera mikrovågssignalerna med hjälp av spinnpolarisationsavbildning. För första gången var det möjligt att utföra en 3D-vyanalys av konfigurationen av den elektriska laddningen som produceras direkt efter exponering för ljus som en reaktiv mellanprodukt. Detta gjordes med en noggrannhet till inom 10 miljonedel av en sekund, som på varandra följande fotografering (se figur 3b). Baserat på denna visualisering, de kvantifierade också den elektroniska interaktionen som uppstår när elektronbana överlappar varandra för molekyler med elektriska laddningar (figur 3c).

Den ursprungliga elektriska laddningsseparationsstrukturen som klargjordes med denna analys skilde sig inte mycket från strukturen före reaktionen, men bildanalysen visade att den positiva elektriska laddningen som uppstod i pigmentet som en reaktiv mellanprodukt existerade oproportionerligt i klorofyll -enkelmolekyler (figur 3b, c). Det tyder på att det finns en stark stabilisering orsakad av elektrostatisk interaktion mellan laddningarna.

Det har avslöjats att den negativa laddningens återkomst undertrycks, eftersom överlappningen mellan elektronbanor begränsas kraftigt av den isolerande effekten av vinylgruppsterminalen. Detta innebär att det blir möjligt att använda den höga oxidationsförmågan hos den positiva laddningen i klorofyll (PD1) för den efterföljande oxidativa nedbrytningen av vatten.

Baserat på dessa fynd, forskare har låst upp en del av mekanismen för att effektivt producera stora mängder kemisk energi utan att förlora den oxidativa kraft som behövs för att dela vatten i fotosyntesen. Dessa fynd kan hjälpa till att designa ett "artificiellt fotosyntesystem" som kan ge en ren energikälla genom att effektivt omvandla solenergi till stora mängder el och väte. Tillämpningen av denna princip kan bidra till att lösa problem med energi, miljö och matbrist.