Buka rahasia fotosintesis

Eksperimen mutakhir telah mengungkap dinamika kuantum yang mendasari salah satu proses terpenting di alam.

Dengan menggunakan kompleks pigmen mineral, protein, enzim dan koenzim, organisme fotosintetik dapat mengubah energi cahaya menjadi energi kimia kehidupan. Sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di alam Kini telah terungkap bahwa proses kimia alami ini sensitif terhadap jumlah cahaya sekecil mungkin – satu cahaya Foton.

Penemuan ini meningkatkan pemahaman kita saat ini tentang organisme hidup Fotosintesis Ini akan membantu menjawab pertanyaan tentang bagaimana kehidupan bekerja pada skala terkecil, tempat pertemuan fisika kuantum dan biologi.

“Banyak penelitian telah dilakukan, baik secara teoritis maupun eksperimental, di seluruh dunia untuk mencoba memahami apa yang terjadi setelah penyerapan foton. Namun kami menyadari tidak ada seorang pun yang membicarakan tentang langkah pertama,” kata Graham Fleming, salah satu penulis utama, seorang ahli biologi senior di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Laboratorium Berkeley) dan profesor kimia di Universitas California, Berkeley: “Ini masih merupakan pertanyaan yang memerlukan jawaban rinci.”

Dalam studi mereka, Fleming, rekan penulis utama Birgitta Wally, seorang ilmuwan fakultas senior di bidang ilmu energi di Berkeley Lab, dan kelompok penelitian mereka menunjukkan bahwa satu foton memang dapat memulai langkah pertama fotosintesis pada bakteriofag fotogenik. Karena semua organisme fotosintetik menggunakan proses serupa dan memiliki nenek moyang evolusi yang sama, tim yakin bahwa fotosintesis pada tumbuhan dan alga bekerja dengan cara yang sama. “Alam telah menciptakan trik yang sangat cerdik,” kata Fleming.

Bagaimana sistem kehidupan menggunakan cahaya?

Berdasarkan seberapa efisien fotosintesis mengubah sinar matahari menjadi molekul yang kaya energi, para ilmuwan telah lama berhipotesis bahwa hanya diperlukan satu foton untuk memulai reaksi, karena foton meneruskan energi ke elektron yang kemudian bertukar tempat dengan elektron di molekul berbeda, yang pada akhirnya mengarah pada untuk pembentukan komponen utama untuk produksi polisakarida. Lagi pula, matahari tidak menyuplai foton sebanyak itu—hanya seribu foton yang mencapai satu molekul klorofil per detik pada hari cerah—namun proses ini pasti terjadi di seluruh planet.

Namun, “belum ada yang mendukung asumsi ini dengan bukti sebelumnya,” kata penulis pertama Quanwei Lee, peneliti gabungan pascadoktoral yang sedang mengembangkan teknik eksperimental baru dengan cahaya kuantum di kelompok Fleming dan Wiley.

Yang memperumit masalah adalah banyaknya penelitian yang mengungkap detail kecil tentang langkah-langkah fotosintesis selanjutnya yang dilakukan dengan menstimulasi molekul fotosintesis dengan gelombang laser yang sangat cepat dan kuat.

Rekan penulis utama Graham Fleming, kiri, dan penulis pertama Quanwye Lee mendekati beberapa peralatan yang digunakan dalam eksperimen mutakhir mereka. Kredit: Henry L/Laboratorium Fleming

“Ada perbedaan besar dalam intensitas antara laser dan sinar matahari – sinar laser terfokus biasanya jutaan kali lebih terang daripada sinar matahari,” kata Lee. Bahkan jika Anda dapat menghasilkan sinar lemah dengan intensitas yang setara dengan sinar matahari, hasilnya masih sangat berbeda karena sifat kuantum cahaya yang disebut statistik foton. Dia menjelaskan bahwa karena tidak ada yang melihat foton diserap, kita tidak tahu apa bedanya dan jenis fotonnya. “Tetapi sama seperti kita perlu memahami setiap partikel untuk membangun komputer kuantum, kita juga perlu mempelajari sifat-sifat kuantum sistem kehidupan untuk benar-benar memahaminya, dan untuk membuat sistem buatan yang efisien yang menghasilkan bahan bakar terbarukan.”

Fotosintesis, seperti reaksi kimia lainnya, pertama kali dipahami dalam bentuk agregat – artinya kita mengetahui keseluruhan masukan dan keluaran, dan dari situ, kita dapat menyimpulkan seperti apa interaksi antar molekul. Pada tahun 1970an dan 1980an, kemajuan teknologi memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari secara langsung bahan kimia tertentu selama reaksi. Kini, para ilmuwan mulai melakukan eksplorasi perbatasan berikutnyaindividu Jagungdan skala partikel subatom, menggunakan teknik yang lebih maju.

Dari asumsi hingga fakta

Merancang eksperimen yang memungkinkan pengamatan foton individual berarti membentuk tim ahli teori dan peneliti unik yang menggabungkan alat mutakhir dari optik kuantum dan biologi. “Ini adalah hal baru bagi orang-orang yang mempelajari fotosintesis, karena mereka biasanya tidak menggunakan alat-alat ini, dan ini adalah hal baru bagi orang-orang yang berspesialisasi dalam optik kuantum karena kita biasanya tidak berpikir untuk menerapkan teknik ini pada sistem biologis yang kompleks,” kata Wally. , yang terlibat dalam penelitian ini. Ia juga Profesor Fisika Kimia di Universitas California, Berkeley.

Para ilmuwan telah menciptakan sumber foton yang menghasilkan sepasang foton melalui proses yang disebut konversi parametrik otomatis. Selama setiap denyut, foton pertama – “pemberita” – dideteksi oleh detektor yang sangat sensitif, yang memastikan bahwa foton kedua sedang menuju ke sampel yang dikumpulkan dari struktur molekul penyerap cahaya dari bakteri fotosintetik. Detektor foton lain dipasang di dekat sampel untuk mengukur foton berenergi rendah yang dipancarkan oleh struktur fotovoltaik setelah menyerap foton “pemberita” kedua dari pasangan aslinya.

Struktur penyerap cahaya yang digunakan dalam percobaan yang disebut LH2 telah dipelajari secara ekstensif. Foton pada panjang gelombang 800 nm diketahui diserap oleh cincin 9 molekul bakterioklorofil di LH2, meneruskan energi ke cincin kedua yang terdiri dari 18 molekul bakterioklorofil yang dapat memancarkan foton fluoresen pada 850 nm. Pada bakteri asli, energi dari foton terus diteruskan ke molekul berikutnya hingga digunakan untuk memulai proses kimia fotosintesis. Namun dalam percobaan tersebut, ketika LH2 dipisahkan dari mesin seluler lainnya, deteksi foton berukuran 850 nanometer menjadi tanda akhir bahwa proses tersebut telah diaktifkan.

“Jika Anda hanya memiliki satu foton, sangat mudah untuk kehilangannya. Itulah kesulitan utama percobaan ini dan itulah mengapa kami menggunakan Photon Herald,” kata Fleming. Para ilmuwan menganalisis lebih dari 17,7 miliar peristiwa pendeteksian Photon Herald dan 1,6 juta peristiwa yang terjadi. peristiwa deteksi Fluoresensi foton untuk memastikan bahwa pengamatan hanya dapat dikaitkan dengan penyerapan satu foton dan tidak ada faktor lain yang mempengaruhi hasilnya.

“Saya rasa hal yang pertama adalah eksperimen ini menunjukkan bahwa Anda dapat melakukan sesuatu dengan foton individual. Ini adalah poin yang sangat penting,” kata Wally. “Hal berikutnya adalah, apa yang bisa kita lakukan? Tujuan kami adalah mempelajari transfer energi foton individu melalui kompleks fotosintesis pada skala temporal dan spasial sesingkat mungkin.

Referensi: “Penyerapan dan Emisi Foton Tunggal dari Kompleks Fotosintesis Alam” oleh Quanwei Li, Kaydren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabines-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, Graham R. Fleming dan K. . Birgitta Wally, 14 Juni 2023, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-06121-5