Terahertzes lézerimpulzusokkal kapcsolódott be a lézerközpont az SZTE és az SZBK fotoszintézis-kutatásába

A fotoszintézis biofizikájának ultragyors, nanoszintű folyamatait vizsgálták a Szegedi Biológiai Kutatóközpont, a Szegedi Tudományegyetem és az ELI-ALPS lézerközpont kutatói, eredményeikről a brit Royal Society Open Biology című folyóiratában számoltak be.

Az egyetem lapunknak megküldött közleménye szerint a fotoszintézis alapfolyamatai mára már javarészt tisztázottak, az e területen elért eredményeket eddig tíz kémiai Nobel-díjjal ismerték el. A kutatásokat azonban nem lehet még lezárni, a reakciók ugyanis egy mindössze 10 nanométer nagyságrendű molekula-komplexben játszódnak le, amely atomi szintű kristályszerkezetét csak a legújabb technológiák írták le.

A fényenergia-átalakítás összetett és ultragyors folyamatában nanométernyi távolságokon több mint száz különböző fehérje, több tucatnyi különböző lipid és sok-sok ezer pigment molekula vesz részt. Eközben akár több százezer Volt/ccm erősségű, időben is változó elektromos erőterek alakulnak ki. Az egymást követő folyamatoknak ez a gyors és dinamikus jellege még feltáratlan területeket hagy nyitva a fotoszintézis biofizikájának kutatói számára.

A szegedi kutatócsoport a növények második fotokémiai rendszere (PSII) és az evolúciós elődjének számító bakteriális reakciócentrum működése közötti hasonlóságokra összpontosította figyelmét. Vizsgálataikban a növényi PSII magasan szervezett fehérjekomplexét tanulmányozták ismételt fényimpulzusok hatása alatt, és megállapították, hogy ennek során a fehérje szerkezete megváltozik, ami – meglepő módon – függött a fényimpulzusok követési idejétől.

A vizsgálatok alapján a fehérje ”emlékszik” a korábbi megvilágítási eseményekre. Ez a ”memória” csak úgy "kódolható" a proteinben, ha a gerjesztések követési távolsága kellően nagy az ultragyors folyamatokhoz képest. A kutatók úgy gondolják, egy korábban ismeretlen folyamat befejezését kell megvárni a két esemény között.

A fotoszintézis ultragyors folyamatainak megismerését célzó – az SZBK-n és az SZTE-n folyó – kutatásba az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet is bekapcsolódott. A megkérdezett kutatók egyetértettek abban, hogy az ELI-ALPS nagyenergiájú terahertzes lézerimpulzusai segítségével új megvilágításba helyezhetik a fotokémiai reakciócentrumokban lejátszódó folyamatokat. Az SZBK–SZTE–ELI-ALPS együttműködésében egy új kutatási projekt első megbeszélése máris szerveződik Szegeden.

A fotoszintézis során a napenergiából átalakított kémiai energia éves átlagos teljesítménye a Földön 120 TW, míg az emberiség éves energiafelhasználása jelenleg mintegy 16–17 TW. Ez a teljesítmény a fotoszintetikus energiaátalakítást a legnagyobb globális energiaátalakítási folyamattá teszi. Ugyanakkor a fotoszintézis energiaátalakító hatékonysága nem túl nagy, a termesztett növények a rájuk eső napenergiának mindössze 1 százalékát alakítják át biomasszává.

A kutatók szerint a természetes fotoszintézis újratervezése is valós tudományos célkitűzés lehet. Fotoszintézis 2.0 néven jelenleg is nemzetközi program épül arra, hogy a haszonnövények egyes tulajdonságait felerősítsék a fotoszintézis áttervezése révén. Ha a szántóföldi körülmények között mérhető 1 százalékos növényi fényenergia-átalakítási hatásfokot sikerülne 2 százalékra emelni, az akár az élelmiszer-termelés megduplázódását is jelenthetné a közlemény szerint.