การตีความการสังเคราะห์แสงในระดับโมเลกุลเพื่อให้กระจ่างแห่งอนาคตของมนุษยชาติ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์และมหาวิทยาลัยMünster (WWU) ได้ทำให้บริสุทธิ์และเห็นภาพซูเปอร์คอมเพล็กซ์ของ Cyclic Electron Flow (CEF) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของกลไกการสังเคราะห์แสงของพืชทั้งหมดซึ่งจะช่วยชี้นำชีววิทยาพลังงานแสงอาทิตย์ยุคต่อไป การพัฒนาเทคโนโลยี

การค้นพบนี้ร่วมกับทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติจากมหาวิทยาลัย Basel มหาวิทยาลัย Okayama และมหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์ได้รับการเผยแพร่ในรายงานการประชุมของ National Academy of Sciences และให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์แสงในระดับโมเลกุล

ปี 2050 เราจะต้องเพิ่มขึ้นโดยน้ำมันเชื้อเพลิง 50% อาหาร 70% และ 50% ของน้ำสะอาดเพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษยชาติทั้งหมด. UQs สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล (UQs สถาบันชีววิทยาศาสตร์โมเลกุล) ศาสตราจารย์เบน Hankamer กล่าวว่าขึ้นอยู่กับ เทคโนโลยีการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายมีศักยภาพที่จะมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองความต้องการเหล่านี้. เขาเป็นศูนย์พลังงานแสงอาทิตย์สำหรับเทคโนโลยีชีวภาพ (ศูนย์เทคโนโลยีชีวภาพพลังงานแสงอาทิตย์) อยู่ในความดูแลของวิธีการที่จุลินทรีย์เหล่านี้เพื่อรวบรวมและจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในระดับโมเลกุลผ่านความเข้าใจที่ดีขึ้น มันจะส่งเสริมการพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพ

สภาพแสงสาหร่ายในน้ำเสียและวัฒนธรรมที่เติบโตอย่างรวดเร็ว

เป็นเวลากว่า 3 พันล้านปีสาหร่ายและแบคทีเรียสีฟ้าเขียวได้พัฒนากระบวนการนาโนสเกลที่มีความซับซ้อนเพื่อให้สามารถสังเคราะห์แสงได้ซึ่งพลังงานแสงอาทิตย์ถูกจับและเก็บไว้ในรูปของพลังงานเคมี

พลังงานเคมีนี้มีอยู่ในรูปของโมเลกุลเอทีพีและโมเลกุลของ NADPH ซึ่งมีความสำคัญต่อกระบวนการผลิตเซลล์หลายชนิด

ATP และ NADPH ช่วยให้มีการสังเคราะห์สารอินทรีย์เมื่อโตขึ้นพวกเขาผลิตออกซิเจนในบรรยากาศอาหารและเชื้อเพลิงที่สนับสนุนชีวิตบนโลกศาสตราจารย์ฮิพเพอร์กล่าวว่าเขาอยู่ที่ WWUs Plant Biology and Biology การทำงานของสถาบันทางวิชาการ

สังเคราะห์แสงมีสองโหมด: การไหลเชิงเส้นอิเล็กตรอน (คน LEF) และการไหลของอิเล็กตรอนวงจร (CEF) สำหรับการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพภายใต้สภาพแสงที่เปลี่ยนชีวิตสังเคราะห์แสงมันจะต้องมีความสมดุลโดยการดูดซับพลังงานแสงและความต้องการของเอทีพี และ NADPH. มันเป็นเช่นนี้อย่างต่อเนื่องโดยการปรับความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองโหมดที่

หนึ่งในรูปแบบการสังเคราะห์: การไหลของอิเล็กตรอนวงจร (ภาพจาก leavingbio.net)

แบบฟอร์มการสังเคราะห์แสงที่สอง: การไหลของอิเล็กตรอนเชิงเส้น (ภาพจาก leavingbio.net)

มีหลักฐานทางชีวเคมีว่าโมเลกุลขนาดใหญ่เรียกว่าซูเปอร์คอมเพล็กซ์ไหลเวียนของอิเล็กตรอนไหลเวียน (Circulation Electron Flow) มีบทบาทสำคัญในกระบวนการปรับแต่งนี้อย่างไรก็ตามศาสตราจารย์ Hankamer กล่าวว่าเนื่องจากลักษณะพลวัตของมันยากที่จะ supercomplex สำหรับการกำหนดโครงสร้าง

เพื่อแก้ปัญหานี้ทีมงานได้ใช้วิธีการที่ซับซ้อนในการฟอกและทำเป็นซูเปอร์คอมเพล็กซ์ของ CEF จากสาหร่ายแก่นและวิเคราะห์โครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

ในการค้นหาซูเปอร์คอมเพล็กซ์นักวิจัยได้สกัดสารสกัดโปรตีนจากสาหร่ายขนาดเล็กประมาณ 500,000 ก้อนซึ่งมีเพียง 1000 ตัวที่เป็นซูเปอร์คอมเพล็กซ์ของ CEF

การวิเคราะห์โครงสร้างแสดงให้เห็นว่าคอมเพล็กซ์การเก็บเกี่ยวแสงระบบแสงและส่วนประกอบของ cytochrome b6f ประกอบกันเป็นซุปเปอร์คอมเพล็กซ์ของ CEF และวิธีการจัดวางในลักษณะที่สามารถเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อแบบไดนามิกเพื่อทำหน้าที่ต่างๆปรับตัวให้เข้ากับสิ่งต่างๆ สภาพแสงและความต้องการพลังงาน

ข้อมูลนี้พร้อมกับหลักฐานการทดลองเพิ่มเติมช่วยให้นักวิจัยสามารถเสนอสมมติฐานใหม่เพื่ออธิบายว่า supercomplex ของ CEF ทำงานได้ดีเพียงใด

ศาสตราจารย์ฮิพเพอร์กล่าวว่าซูเปอร์คอมเพล็กซ์ของ CEF เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของโครงสร้างที่ได้รับการอนุรักษ์ในระดับวิวัฒนาการเขาอธิบายว่าดูเหมือนว่ามันจะได้รับการคุ้มครองในพืชหลายชนิดและสาหร่ายและไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างสำคัญสำหรับล้านปี .

ศาสตราจารย์ Hankamer อธิบายว่างานนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับความพยายามของศูนย์เทคโนโลยีชีวภาพพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีชีวภาพและอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ในยุคต่อไป

ศูนย์ฯ ได้ขยายทีมงานไปแล้วกว่า 30 ประเทศในยุโรปเอเชียสหรัฐอเมริกาออสเตรเลียและนิวซีแลนด์และมุ่งมั่นที่จะพัฒนาเทคโนโลยีชีวภาพยุคพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งใช้สาหร่ายสีเขียวสังเคราะห์แสง

พลังงานแสงอาทิตย์แปลงตามการสังเคราะห์แสงเป็นเวลาประมาณ 10 เท่าที่มนุษย์ต้องการและยังเป็นพื้นฐานสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ศาสตราจารย์ Hankamer กล่าวว่าเป้าหมายของทีมคือการเพิ่มประสิทธิภาพกลไกการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายสีเขียวเพื่อผลิตเทคโนโลยีที่ช่วยตอบสนองความต้องการด้านพลังงานความต้องการด้านอาหารและน้ำเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้เราจำเป็นต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงในระดับโมเลกุล มันทำงาน

ข้อมูลใหม่นี้จะช่วยให้คำแนะนำในการออกแบบเทคโนโลยีการจับภาพแสงอาทิตย์ยุคหน้าจากสาหร่ายและเทคโนโลยีชีวภาพและอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ต่างๆเพื่อการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงอาหารเชื้อเพลิงและน้ำสะอาด การแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศการแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากบรรยากาศการใช้และการเก็บรักษาเป็นส่วนที่น่าตื่นเต้น