Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) en het California Institute of Technology (Caltech) hebben een lang bestaand vraagstuk in de fotosynthese opgelost. Ze ontdekten waarom elektronenbewegingen, essentieel voor energieoverdracht, zich alleen langs één arm van een belangrijk eiwit-pigmentcomplex voordoen. Deze bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.
Fotosynthese omvat een reeks reacties waarbij elektronen worden overgedragen tussen verschillende pigmentmoleculen. Ondanks uitgebreid onderzoek was het mechanisme achter deze processen niet volledig begrepen. De studie richtte zich op Photosystem II (PSII), een eiwit-pigmentcomplex dat energie uit zonlicht opvangt en water splitst, wat resulteert in zuurstof en elektronen die naar andere moleculen worden getransporteerd.
PSII bevat twee identieke armen, D1 en D2, die symmetrisch zijn opgebouwd met chlorofylmoleculen en pheofytinen. Elektronen bewegen zich van chlorofyl naar pheofytine en vervolgens naar plastoquinon. Eerder onderzoek toonde aan dat elektronen voornamelijk langs de D1-arm bewegen, wat tot verwarring leidde. De recente studie gebruikte moleculaire dynamicasimulaties en kwantummechanische berekeningen om het energielandschap voor elektronbeweging in beide armen in kaart te brengen.
De onderzoekers ontdekten dat de D2-arm een veel hogere energiebarrière heeft, wat elektronentransport energetisch ongunstig maakt. Specifiek vereist de overdracht van elektronen van pheofytine naar plastoquinon in D2 twee keer zoveel activeringsenergie als in D1, wat de energieoverdracht belemmert. Deze bevindingen kunnen bijdragen aan het ontwerp van efficiëntere kunstmatige fotosynthesesystemen die zonne-energie omzetten in chemische brandstoffen, wat kan bijdragen aan duurzame energieoplossingen.
De studie benadrukt het belang van het begrijpen van de fundamentele mechanismen in fotosynthese en biedt nieuwe inzichten die kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van innovatieve en duurzame energieoplossingen.