Az oxigénkészítő szuperhős: a fotoszisztéma II
A növényi sejtek kloroplasztiszaiban található fotoszisztéma II (PSII) szuperkomplex nélkül nem lenne élet a Földön – legalábbis a légzést végző élőlények számára biztosan nem. Ez a hatalmas fehérjeegyüttes végzi el azt a trükkös biokémiai feladatot, amelyben a napfényt használva vizet bont – aminek eredményeként oxigén és hidrogén szabadul fel. Az oxigént a lélegzéshez használjuk fel, a hidrogén és a napfény energiája pedig mindenféle szénhidrát formájában visszakerül a táplálékláncba.
A PSII szuperkomplex több száz klorofill-molekulát tartalmaz, amelyek körülölelik azt a két reakciócentrumot, ahol a vízbontás történik. Míg egyes baktériumoknál a fényenergia úgy áramlik, mint a lejtőn lecsorgó víz – egyenesen a középpontba –, addig a növények PSII szerveződése meglepően lapos, horizontális. Első pillantásra úgy tűnhet, hogy ez nem hatékony, de a természet egészen másképp gondolkodik.
Új szupermikroszkópok, új válaszok
A kutatás fő újítása a két dimenziós elektron-vibrációs spektroszkópia nevű módszer, amely a molekulákat „színes térképen” képes megkülönböztetni, még akkor is, ha akár 200 szinte azonos klorofillból kell az energia útját lekövetni. Ennek, valamint a cambridge-i kutatókkal közösen épített részletes modelleknek köszönhetően sikerült megfejteni, miért működik jól a lapos szerkezet.
Az egyik legfontosabb megfigyelés, hogy az energia nem egyenesen jut a reakciócentrumokba. Sokszor épp ellenkezőleg: mielőtt eljutna a központba, elvándorol onnan, akár egy túlzottan introvertált vendég egy zsúfolt buliban. Ez a „kóborlás” azonban kulcsszerepet játszik: időt hagy arra, hogy a rendszer eldöntse, elegendő-e a fény, vagy túl sok, illetve fennáll-e valamilyen veszély, például túlmelegedés. Ha rögtön minden fényt a reakciócentrumokba irányítana a rendszer, az káros melléktermékeket hozna létre, sérülhetne a sejt.
Az energia kóborlása: okos önvédelem
A PSII szuperkomplex éppen ezért hihetetlenül rugalmas. Az energiát terelgeti, ide-oda bolyongtatja, majd amikor minden feltétel adott, a reakcióközpontba összpontosítja. Ez részben az entrópia révén történik: a fotonok véletlenszerűen „vándorolnak”, majd, ha minden megfelelő, egy irányított fázisban jutnak el a célhoz. Így tudja a növény megvédeni magát a fény okozta stressztől és sejtkárosodástól.
A kutatók most először mérni tudták, hogy mekkora távolságon képes energia átjutni a PSII komplexen belül: a diffúziós hossz lehetővé teszi, hogy ne csak egy-egy központban, hanem az egész gépezetben kiegyenlítődjön a fényenergia.
Mesterséges fotoszintézis? Nem kell, hogy buta legyen
Ma az MI-vezérelt, mesterséges fotoszintézist utánzó rendszereink vagy nagyon hatékonyak, de védtelenek, vagy túl merevek és alkalmazkodni képtelenek. A természetes PSII az arany középút mestere: az energia elosztása és az önvédelmi mechanizmusok révén gyorsan tud reagálni minden változásra. A kutatók szerint, ha az MI-alapú napenergia- vagy katalizátorműszereket is így terveznénk, azok nem égnének le és nem hibásodnának meg túlterhelés esetén. Hasonló módszerrel a növények is gyorsabban vissza tudnának állni „védett” állapotból, például ha hirtelen csökken a fényterhelés – ezt már szójaültetvényeken tesztelték, akár 25%-kal növelve a terméshozamot.
Maradt még nyitott kérdés
Miközben egyre közelebb kerülünk természetünk zöld molekulamestereihez, akadnak még fehér foltok. Egy PsbS nevű kulcsfontosságú fehérje pontos helye és szerepe például továbbra is rejtély maradt. Ehhez a jövőben még nagyobb szerkezeti komplexumokat kell majd atomi szinten vizsgálni – ebben a krio-elektronmikroszkópia segíthet.
A természetet nem másolni, hanem tanulni kell tőle. Ha sikerül megfejteni, miként párosul a hatékonyság és a „biológiai intelligencia”, megnyílik az út az alkalmazkodó, önvédelmi képességgel is rendelkező MI-eszközök vagy éppen a szupertermő növények előtt.
