Photosynthese ohne Verbrennung
Anzeigen
Zu viel Sonne kann einen Tag am Strand ruinieren. Sie kann auch die Photosynthese stören und Pflanzen und andere Organismen, die auf das Einfangen von Sonnenlicht zur Energiegewinnung angewiesen sind, verbrennen. Unterhalb der Wellen haben Algen jedoch einen cleveren Schutz gefunden. Forscher der Osaka Metropolitan University und ihre Kollegen entdeckten, dass ein Pigment namens Siphonein Meeresgrünalgen dabei hilft, die Photosynthese am Laufen zu halten, ohne zu verbrennen.
An der L1-Stelle bindet das Pigment Siphonein (orange) in der Nähe eines Clusters von Chlorophyllmolekülen (Chl a 610- a 612, grün) und ermöglicht so eine effiziente Energieabschreckung.
Osaka Metropolitan University
Photosynthetische Organismen sind auf empfindliche Lichtsammelkomplexe (LHCs) angewiesen, um Sonnenlicht zur Energiegewinnung einzufangen. Während der Photosynthese absorbiert das Chlorophyll das Licht und geht in einen angeregten Singulett-Zustand über. Unter normalen Lichtbedingungen wird diese Energie effizient auf das photosynthetische Reaktionszentrum übertragen, um chemische Reaktionen anzutreiben. Übermäßiges Licht kann jedoch Chlorophyllmoleküle in einen gefährlichen Triplett-Zustand versetzen, der eine Quelle reaktiver Sauerstoffspezies ist, die oxidative Schäden verursachen können.
"Organismen verwenden Carotinoide, um überschüssige Energie schnell abzubauen oder diese Triplett-Zustände durch einen Prozess zu löschen, der Triplett-Triplett-Energietransfer (TTET) genannt wird", so Ritsuko Fujii, Hauptautorin und außerordentliche Professorin an der Graduate School of Science und am Forschungszentrum für künstliche Photosynthese der Osaka Metropolitan University.
Bislang waren die Regeln für diesen Lichtschutz jedoch noch weitgehend unbekannt.
Das Forscherteam suchte nach einer Antwort bei Codium fragile , einer marinen Grünalge. Ähnlich wie Landpflanzen besitzt sie eine LHCII genannte Lichtsammelantenne, allerdings mit einem besonderen Merkmal: Sie enthält ungewöhnliche Carotinoide wie Siphonein und Siphonaxanthin, die es der Alge ermöglichen, grünes Licht für die Photosynthese zu nutzen.
"Der Schlüssel zum Löschmechanismus liegt darin, wie schnell und effizient die Triplett-Zustände deaktiviert werden können", sagt Alessandro Agostini, Forscher an der Universität Padua, Italien, und Co-Autor der Studie.
Mit Hilfe der fortschrittlichen elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR), die angeregte Triplett-Zustände direkt nachweist, verglich das Team Spinatpflanzen mit Codium fragile . Im Spinat blieben schwache Signale von Chlorophyll-Triplettzuständen nachweisbar. Im Gegensatz dazu verschwanden diese schädlichen Zustände bei Codium fragile vollständig, was ein klarer Beweis dafür ist, dass die Carotinoide im Algensystem die Triplett-Zustände vollständig unterdrücken.
"Unsere Forschung hat gezeigt, dass die Antennenstruktur der photosynthetischen Grünalgen eine ausgezeichnete Lichtschutzfunktion hat", so Agostini.
Durch die Kombination von EPR mit quantenchemischen Simulationen konnte das Team das Siphonein, das sich an einer wichtigen Bindungsstelle in LHCII befindet, als Hauptverantwortlichen für diesen bemerkenswerten Schutzeffekt ausfindig machen. Ihre Arbeit klärte auch die elektronischen und strukturellen Prinzipien, die der effizienten TTET zugrunde liegen, und zeigte, wie die besondere elektronische Struktur von Siphonein und seine Position im LHCII-Komplex seine Fähigkeit, überschüssige Energie abzuleiten, verstärken.
Die Ergebnisse zeigen, dass Meeresalgen einzigartige Pigmente entwickelt haben, die nicht nur das unter Wasser verfügbare grün-blaue Licht einfangen, sondern auch ihre Widerstandsfähigkeit gegen übermäßiges Sonnenlicht verbessern.
Die Ergebnisse der Studie tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Photosynthese bei, sondern öffnen auch die Tür zur Entwicklung bioinspirierter Solartechnologien mit eingebauten Schutzmechanismen und langlebigeren und effizienteren erneuerbaren Energiesystemen.
"Wir hoffen, die strukturellen Merkmale von Carotinoiden, die die Löscheffizienz erhöhen, weiter aufklären zu können, um letztendlich das molekulare Design von Pigmenten zu ermöglichen, die die photosynthetischen Antennen optimieren", sagte Fujii.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
