Buka rahasia fotosintesis

Eksperimen mutakhir telah mengungkapkan dinamika kuantum yang mendasari salah satu proses alam yang paling penting.

Dengan menggunakan template kompleks pigmen bertatahkan mineral, protein, enzim, dan koenzim, organisme fotosintetik dapat mengubah energi dalam cahaya menjadi energi kimia untuk kehidupan. Sebuah penelitian baru-baru ini diterbitkan di alam Sekarang telah terungkap bahwa proses kimiawi alami ini peka terhadap jumlah cahaya sekecil mungkin – sekaligus Foton.

Penemuan ini meningkatkan pemahaman kita saat ini Fotosintesis Dan itu akan membantu menjawab pertanyaan tentang bagaimana kehidupan bekerja pada skala terkecil, di mana fisika kuantum dan biologi bertemu.

“Sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan, baik secara teoritis maupun eksperimental, di seluruh dunia untuk mencoba memahami apa yang terjadi setelah penyerapan foton. Tapi kami menyadari tidak ada yang berbicara tentang langkah pertama,” kata penulis utama Graham Fleming, fakultas senior ilmuwan di Science.Biologist di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan profesor kimia di University of California, Berkeley, “Pertanyaan ini masih membutuhkan jawaban rinci.”

Dalam studi mereka, Fleming, penulis utama Birgitta Wally, Ilmuwan Senior untuk Ilmu Energi di Berkeley Lab, dan kelompok penelitian mereka menunjukkan bahwa satu foton memang dapat memulai langkah pertama fotosintesis pada bakteri fotosintetik violet. Karena semua organisme fotosintetik menggunakan proses serupa dan memiliki nenek moyang evolusioner yang sama, tim yakin bahwa fotosintesis pada tumbuhan dan alga bekerja dengan cara yang sama. “Alam telah menemukan trik yang sangat cerdik,” kata Fleming.

Bagaimana sistem kehidupan menggunakan cahaya?

Berdasarkan seberapa efisien fotosintesis mengubah sinar matahari menjadi molekul kaya energi, para ilmuwan telah lama berhipotesis bahwa hanya diperlukan satu foton untuk memulai reaksi. bahan utama pembuatan gula. Lagi pula, matahari tidak menyediakan banyak foton—hanya seribu foton yang setara dengan satu molekul klorofil per detik pada hari yang cerah—namun proses ini terjadi dengan andal di seluruh planet.

Namun, “tidak ada yang pernah mendukung asumsi ini dengan demonstrasi,” kata penulis pertama Quanwei Li, seorang peneliti pascadoktoral bersama yang mengembangkan teknik eksperimental baru dengan cahaya kuantum dalam kelompok Fleming dan Whaley.

Untuk memperumit masalah lebih lanjut, banyak penelitian yang telah mengungkapkan detail kecil tentang langkah selanjutnya dari fotosintesis telah dilakukan dengan merangsang molekul fotosintesis dengan pulsa laser ultra cepat yang kuat.

Rekan penulis Graham Fleming, kiri, dan penulis pertama Quanwei Li di dekat beberapa peralatan yang digunakan dalam eksperimen mutakhir mereka. Kredit: Henry Lam/Fleming Lab

“Ada perbedaan besar dalam intensitas antara laser dan sinar matahari – sinar laser terfokus yang khas sejuta kali lebih terang daripada sinar matahari,” katanya kepada saya. Bahkan jika Anda dapat menghasilkan sinar lemah dengan intensitas yang identik dengan sinar matahari, itu masih akan sangat berbeda karena sifat kuantum cahaya yang disebut statistik foton. Dia menjelaskan bahwa karena belum pernah ada orang yang melihat foton diserap, kita tidak tahu apa bedanya dan jenis foton apa itu. “Tapi sama seperti Anda perlu memahami setiap partikel untuk membangun komputer kuantum, kita perlu mempelajari sifat kuantum dari sistem kehidupan untuk benar-benar memahaminya, dan untuk menciptakan sistem buatan yang efisien yang menghasilkan bahan bakar terbarukan.”

Fotosintesis, seperti reaksi kimia lainnya, pertama kali dipahami dalam bentuk agregat – yang berarti kita mengetahui apa masukan dan keluaran secara keseluruhan, dan dari sana, kita dapat menyimpulkan seperti apa interaksi antara molekul individu. Pada tahun 1970-an dan 1980-an, kemajuan teknologi memungkinkan para ilmuwan untuk secara langsung mempelajari bahan kimia individu selama reaksi. Sekarang, para ilmuwan mulai mengeksplorasi batasan berikutindividu Jagungdan skala partikel subatomik, menggunakan teknik yang lebih maju.

Dari asumsi ke fakta

Merancang percobaan yang memungkinkan foton individu diamati berarti menyatukan tim ahli teori dan eksperimen unik yang menggabungkan alat canggih dari optik kuantum dan biologi. ujar Wally yang juga profesor fisika kimia di UC Berkeley.

Para ilmuwan telah menciptakan sumber foton yang menghasilkan sepasang foton melalui proses yang disebut konversi turun spontan. Selama setiap pulsa, foton pertama – “pembawa berita” – diamati oleh detektor yang sangat sensitif, yang menegaskan bahwa foton kedua sedang menuju ke sampel yang dikumpulkan dari struktur molekul penyerap cahaya dari bakteri fotosintetik. Detektor foton lain dipasang di dekat sampel untuk mengukur foton berenergi rendah yang dipancarkan oleh struktur fotosintesis setelah menyerap foton kedua dari pasangan aslinya.

Struktur penyerap cahaya yang digunakan dalam percobaan yang disebut LH2 telah dipelajari secara ekstensif. Foton dengan panjang 800 nanometer (nm) diketahui diserap oleh cincin 9 molekul klorofil bakteri di LH2, menyebabkan energi dilewatkan ke cincin kedua 18 molekul klorofil bakteri yang dapat memancarkan foton fluoresen pada 850 nm. Pada bakteri asli, energi dari foton akan terus diteruskan ke molekul berikutnya sampai digunakan untuk memulai kimia fotosintesis. Namun dalam percobaan, ketika LH2 dipisahkan dari mesin seluler lainnya, pendeteksian foton 850 nm merupakan tanda definitif bahwa proses tersebut telah diaktifkan.

“Jika Anda hanya memiliki satu foton, sangat mudah kehilangannya. Itulah kesulitan utama percobaan ini dan itulah mengapa kami menggunakan foton tersebut,” kata Fleming. Para ilmuwan menganalisis lebih dari 17,7 miliar peristiwa deteksi foton dan 1,6 juta peristiwa deteksi foton fluoresensi untuk memastikan bahwa pengamatan hanya dapat dikaitkan dengan penyerapan satu foton dan tidak ada faktor lain yang memengaruhi hasil.

“Saya pikir hal pertama adalah percobaan ini menunjukkan bahwa Anda benar-benar dapat melakukan sesuatu dengan foton individual. Itu poin yang sangat, sangat penting,” kata Wally. “Hal berikutnya adalah, apa lagi yang bisa kita lakukan? Tujuan kami adalah untuk mempelajari transfer energi foton individu melalui kompleks fotosintesis pada skala temporal dan spasial sesingkat mungkin.”

Referensi: “Penyerapan dan Emisi Foton Tunggal oleh Senyawa Fotonik Alami” oleh Quanui Li, Kedren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabens-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, dan Graham R. Fleming dan K. Birgitta Wally, 14 Juni 2023, Tersedia Di Sini. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06121-5