Ученые из Индийского научного института и Калифорнийского технологического института наконец-то разгадали загадку, которая много лет не давала покоя биофизикам всего мира. Они выяснили, как именно запускается один из важнейших процессов на нашей планете — фотосинтез, тот самый, благодаря которому растения, водоросли и бактерии превращают солнечный свет в кислород и энергию для жизни.

Подробности опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Все начинается с гигантского молекулярного комплекса под названием Фотосистема II. В его сердцевине есть два абсолютно одинаковых, на первый взгляд, «плеча» — D1 и D2. Они симметрично окружены пигментами: четырьмя молекулами хлорофилла и двумя молекулами феофитина (это почти тот же хлорофилл, но без центрального атома магния). К этим „плечам“ также подключены молекулы-переносчики электронов — пластохиноны.

Схематично цепь событий выглядит так:

1. Солнечный свет «ударяет» по хлорофиллу, выбивая электрон.
2. Этот возбужденный электрон прыгает на феофитин.
3. С феофитина электрон перескакивает на пластохинон и отправляется в дальнейшее путешествие по энергетической цепи.

Долгое время было непонятно, почему, несмотря на полную структурную идентичность, вся эта электронная кухня работает только на одном «плече» — D1. Второе, D2, молчало, как будто его и нет. Эта асимметрия и была главной загадкой.

Чтобы найти разгадку, международная команда ученых провела масштабное моделирование. Они использовали три мощных инструмента: молекулярную динамику (чтобы увидеть, как движутся атомы), квантово-механические расчеты (чтобы понять поведение электронов) и теорию Маркуса (Нобелевская премия 1992 года), которая объясняет, как именно происходит перенос электронов.

Мы шаг за шагом оценили эффективность переноса электронов через обе ветви, D1 и D2, — поясняет Шубхам Басера, один из авторов работы.

Их расчеты показали, что в «ленивом» плече D2 все не так просто. Оказалось, что энергетический барьер, который электрону нужно преодолеть для прыжка с феофитина на пластохинон, в два раза выше, чем в рабочем плече D1. Электрону это энергетически невыгодно — все равно что пытаться перепрыгнуть через высокий забор вместо низкого. Дополнительные расчеты тока и напряжения подтвердили: сопротивление движению электронов в D2 на два порядка выше, чем в D1. Оно просто запирает электроны внутри.

В чем же причина такого барьера? Ученые считают, что всему виной едва уловимые различия в белковом окружении пигментов. Например, хлорофилл в активном плече D1 находится в состоянии с чуть более низкой энергией, что делает его более «жадным» к электронам.

Более того, исследователи предполагают, что этот процесс можно перепрошить. Если в неработающем плече D2 поменять местами хлорофилл и феофитин, энергетический барьер может рухнуть, и электроны хлынут и по этому пути.

Наше исследование — значительный шаг вперед в понимании природного фотосинтеза, — говорит Прабал К. Маити, профессор и один из руководителей исследования. — Эти открытия могут помочь в создании эффективных искусственных photosynthetic систем, способных преобразовывать солнечную энергию в химическое топливо.

Билл Годдард, профессор из Caltech, подвел итог:

Это прекрасное сочетание теорий разного уровня для решения давней проблемы, которое привело к новому пониманию, но все же оставило загадки для будущих вызовов.

Реальная польза этого исследования лежит не в сиюминутном коммерческом продукте, а в фундаментальном понимании принципов работы самой эффективной «солнечной батареи» из известных человечеству. Зная, как природа, методом миллиардолетних проб и ошибок, решила проблему эффективного переноса энергии, мы можем не слепо копировать, а конструировать.

Это открывает путь к созданию:

• Искусственных листьев: Устройств, которые, как и настоящие листья, под воздействием света будут производить из воды и CO2 не кислород (нам его и так хватает), а чистое углеводородное топливо, например, метанол или этанол. Это решает главную проблему солнечной и ветровой энергетики — проблему хранения энергии.
• Сверхэффективных фотоэлементов: Современные солнечные батареи теряют огромное количество энергии на тепло. Фотосинтез же умудряется использовать кванты света с невероятным КПД на первых этапах. Понимание этих механизмов может привести к прорыву в фотовольтаике.
• Биоинженерных организмов: Можно будет модифицировать сельскохозяйственные культуры, сделав фотосинтез у них еще более эффективным, что потенциально увеличит их продуктивность и устойчивость.

Основное замечание заключается в методологической природе работы. Исследование полностью основано на компьютерном моделировании — это мощный и современный инструмент, но он все же является предсказательной моделью, а не прямым экспериментальным доказательством. Хотя использованные методы (молекулярная динамика, квантовая механика) чрезвычайно сложны и надежны, их результаты всегда требуют экспериментальной валидации.

Для окончательного проставления точек над i необходимо провести эксперименты, например, с помощью сверхбыстрой спектроскопии на реальных образцах Фотосистемы II, возможно, с мутациями в ключевых участках, которые предсказывает модель. Пока же мы имеем дело с блестящей и очень правдоподобной, но все же компьютерной симуляцией реальности.

Ранее ученые мы разбирались, как ученые пытаются создаь искусственный фотосинтез.