Para peneliti dari Indian Institute of Science (IISc) dan California Institute of Technology (Caltech) telah memecahkan misteri lama mengenai langkah awal fotosintesis, proses dasar di mana tumbuhan, alga, dan beberapa bakteri menangkap energi dari sinar matahari untuk menghasilkan oksigen dan energi kimia.
Tim ini menunjukkan mengapa pergerakan elektron awal yang krusial untuk transfer energi hanya terjadi melalui satu cabang dari kompleks protein-pigmen kunci. Penelitian ini dipublikasikan dalam Proceedings of the National Academy of Sciences.
Fotosintesis melibatkan serangkaian reaksi rantai di mana elektron ditransfer melalui berbagai molekul pigmen. Meskipun telah banyak dipelajari, proses ini belum sepenuhnya dipahami karena komponen yang terlibat terlalu banyak dan kompleks, transfer energi terjadi pada kecepatan ultracepat, dan berbagai organisme melakukannya dengan cara yang sedikit berbeda. Memahami proses ini dapat membantu merancang sistem fotosintesis buatan yang efisien, sel bahan bakar, dan sistem lain yang meniru fotosintesis.
Dalam sebagian besar organisme, kompleks protein-pigmen yang disebut Photosystem II (PSII) memulai fotosintesis dengan menangkap energi dari sinar matahari dan memecah air, menghasilkan molekul oksigen dan menyediakan elektron yang diteruskan ke protein dan molekul berikutnya.
PSII memiliki dua cabang identik, yang disebut D1 dan D2, di sekitar mana empat molekul klorofil dan dua pheophytin—pigmen yang terkait dengan klorofil—disusun secara simetris. Cabang-cabang ini juga terhubung ke molekul pembawa elektron yang disebut plastoquinon. Elektron mengalir pertama dari klorofil ke pheophytin, kemudian dari pheophytin ke plastoquinon.
Namun, penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa elektron tampaknya hanya mengalir melalui cabang D1—sebuah misteri yang telah membingungkan para peneliti selama ini. "Meskipun ada simetri struktural antara cabang protein D1 dan D2 di PSII, hanya cabang D1 yang secara fungsional aktif," kata Aditya Kumar Mandal, penulis utama dan mahasiswa Ph.D. di Departemen Fisika, IISc.
Dalam studi ini, para peneliti menggunakan kombinasi simulasi dinamika molekuler, perhitungan mekanika kuantum, dan teori Marcus (kerangka kerja pemenang Hadiah Nobel untuk transfer elektron) untuk memetakan lanskap energi untuk pergerakan elektron di kedua cabang. "Kami menilai efisiensi transfer elektron langkah demi langkah melalui kedua cabang D1 dan D2," kata Shubham Basera, mahasiswa Ph.D. di Departemen Fisika dan salah satu penulis.
Tim ini menemukan bahwa cabang D2 memiliki hambatan energi yang jauh lebih tinggi, yang membuat transportasi elektron secara energetik tidak menguntungkan. Secara spesifik, transfer elektron dari pheophytin ke plastoquinon di D2 membutuhkan energi aktivasi dua kali lipat dibandingkan D1—sebuah hambatan yang tampaknya tidak dapat diatasi oleh elektron, mencegah energi mengalir maju.
Para peneliti juga mensimulasikan karakteristik arus-tegangan dari kedua cabang dan menemukan bahwa resistansi terhadap pergerakan elektron di D2 dua urutan besarnya lebih tinggi dibandingkan di D1.
Asimetri dalam aliran elektron ini mungkin juga dipengaruhi oleh perbedaan halus dalam lingkungan protein di sekitar PSII dan bagaimana pigmen-pigmen tersebut tertanam di dalamnya, saran para peneliti. Misalnya, pigmen klorofil di D1 memiliki keadaan eksitasi pada energi yang lebih rendah dibandingkan dengan pasangan D2-nya, yang menunjukkan bahwa pigmen D1 memiliki peluang lebih baik untuk menarik dan mentransfer elektron.
Para peneliti juga menyarankan bahwa penyesuaian beberapa komponen ini dapat meningkatkan atau mengubah aliran elektron melalui PSII. Misalnya, menukar posisi klorofil dan pheophytin di D2 dapat mengatasi hambatan elektron, karena klorofil membutuhkan energi aktivasi yang lebih rendah dibandingkan pheophytin.
“Penelitian kami merupakan langkah signifikan dalam memahami fotosintesis alami,” kata Prabal K Maiti, Profesor di Departemen Fisika dan salah satu penulis yang berhubungan dengan studi ini. “Temuan ini dapat membantu merancang sistem fotosintesis buatan yang efisien yang mampu mengubah energi surya menjadi bahan bakar kimia, berkontribusi pada solusi energi terbarukan yang inovatif dan berkelanjutan.”
Bill Goddard, Profesor di Caltech dan salah satu penulis yang berhubungan, menambahkan, “Ini adalah kombinasi teori pada berbagai level untuk mengatasi masalah lama yang menghasilkan pemahaman baru, namun masih meninggalkan misteri yang perlu ditantang.”