Doktorand Matfyzu publikuje v prestižním časopise PNAS

23. února 2016
Fotosyntetické organismy používají pro záchyt slunečního světla antény z pigmentů a proteinů. Biofyzikové nyní poprvé pozorovali, jak fluktuace jednotlivých antén ovlivňují přenos energie v nich.

Fotosyntetické organismy používají pro záchyt slunečního světla antény z pigmentů a proteinů. Po absorpci světla je jeho energie velmi rychle přenášena v rámci antén a posléze i mezi nimi. Tyto antény jsou schopné fungovat i v neuspořádaném, fluktuujícím prostředí živého organismu. Biofyzici nyní poprvé pozorovali, jak fluktuace jednotlivých antén ovlivňují přenos energie v nich.

Fotosyntéza je proces, při kterém fotosyntetické organismy jako rostliny, řasy nebo některé bakterie uchovávají energii ze slunce v podobě energeticky bohatých sloučenin. Po absorpci slunečního světla fotosyntetickým anténním komplexem je jeho energie přenášena až do reakčního centra, ve kterém dochází k separaci náboje. Výsledný elektrický gradient pak pohání další chemické procesy. Pozoruhodné je, že téměř každý zachycený foton dorazí do reakčního centra. Klíčem k této vysoké účinnosti fotosyntézy je rychlost tzv. primárních procesů, tedy přenosu energie a separace náboje. Ta umožňuje vyvarovat se konkurenčních rekombinačních procesů. Typická časová škála přenosu energie v rámci antény je 100 fs, tedy desetina milióntiny milióntiny vteřiny. Ještě pozoruhodnější je fakt, že fotosyntetický aparát funguje v značně neuspořádaném a fluktuujícím prostředí.

Doktorand Pavel Malý pod vedením Dr. Tomáše Mančala z MFF UK a prof. Rienka van Grondelle z Amsterdamu ve spolupráci s kolegy z Amsterdamu a Glasgow pozoroval, jak fluktuace ovlivňují ultrarychlý přenos energie v jednotlivých anténách fotosyntetických purpurových bakterií. Jejich výsledky byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Ultrarychlý přenos energie ve fotosyntetických anténách byl sice v minulosti detailně zkoumán pomocí nelineární spektroskopie, doposud však bylo možné měřit jen objemové vzorky obsahující mnoho komplexů. Také emise světla z jednotlivých antén byla pozorována pomocí jednomolekulární spektroskopie, nicméně s časovým rozlišením (mili)sekund. Malý a kol. použili na světě unikátní experimentální uspořádání jednomolekulární spektroskopie v LaserLab Amsterdam.

Vysoká citlivost je dosažena použitím konfokálního mikroskopu, zatímco časové rozlišení je dáno excitací ultrarychlými laserovými pulzy. Tato kombinace umožňuje dosáhnout časového rozlišení desítek femtosekund na úrovni jednotlivých antén. Z měření relaxační doby v mnoha anténách výzkumníci zjistili, že rychlost relaxace je široce rozprostřena a její rozložení se mění v závislosti na vlnové délce excitace. Pozorováním jednotlivých stabilních komplexů po dobu minut se dále podařilo sledovat, jak pomalé fluktuace proteinu antény způsobují změny relaxační doby.

Dosažené výsledky umožňují testovat teoretické modely přenosu excitační energie a přináší tak jedinečný vhled do neuspořádaného světa fotosyntézy. Získané znalosti pak bude možné aplikovat pro návrh umělých solárních článků.

– Tisková zpráva, OMK –