Większość organizmów fotosyntetyzujących, od potężnych dębów po drobny plankton, opiera swój byt na świetle widzialnym – głównie w zakresie barwy niebieskiej i czerwonej. Jednak w gęstych lasach lub w mętnych, bogatych w osady wodach, te wysokoenergetyczne fale są szybko absorbowane przez górne warstwy roślinności lub zawiesinę. Do głębszych warstw dociera jedynie tzw. daleka czerwień. Jest to światło o mniejszej energii, które dla typowego chlorofilu pozostaje “niewidoczne”.
W takich ekstremalnych warunkach przetrwanie wymaga ewolucyjnego sprytu. Niektóre cyjanobakterie wykształciły w tym celu specjalistyczne rodzaje chlorofilu. Jednak najnowsze badania opublikowane przez zespół prof. Ritsuko Fujii wykazują, że pewne glony słodkowodne znalazły zupełnie inną, fascynującą ścieżkę. Zamiast tworzyć nowe pigmenty, postanowiły one zreorganizować te, które już posiadają, zmieniając ich właściwości fizyczne poprzez unikalną architekturę białkową.
Trachydiscus minutus: mistrz wydajności
Obiektem badań był Trachydiscus minutus, glon z grupy eustigmatofitów. Organizm ten produkuje ogromne ilości wyspecjalizowanego kompleksu białkowego, znanego jako rVCP (ang. red-shifted violaxanthin–chlorophyll protein). To właśnie to białko pozwala mu na efektywne wykorzystywanie dalekiej czerwieni, mimo że w jego strukturze znajduje się wyłącznie pospolity chlorofil a.
Czytaj także: Glony morskie narobiły problemów reaktorom. Nowa metoda może je rozwiązać
Naukowcy postawili sobie pytanie: jak to możliwe, że cząsteczka, która z natury nie pochłania niskonenergetycznego światła czerwonego, nagle zaczyna to robić? Aby rozwikłać tę zagadkę, zastosowano zaawansowaną kriomikroskopię elektronową (cryo-EM). Badaczom udało się uzyskać obraz struktury rVCP o imponującej rozdzielczości 2,4 Å, co pozwoliło na podejrzenie ułożenia poszczególnych atomów i cząsteczek pigmentu.
Architektura kwantowa w służbie natury
Analiza strukturalna ujawniła coś, czego wcześniej nie obserwowano w świecie glonów. Białko rVCP tworzy strukturę tetrameru, składającego się z dwóch różnych heterodimerów. Taka budowa sprawia, że cząsteczki chlorofilu a są upakowane niezwykle blisko siebie, tworząc gęste klastry pigmentów.
To właśnie tutaj dzieje się magia mechaniki kwantowej. Wykorzystując wieloskalowe obliczenia chemii kwantowej, zespół prof. Fujii udowodnił, że absorpcja dalekiej czerwieni nie wynika ze zmiany chemicznej samego chlorofilu, lecz z delokalizacji energii pomiędzy blisko sąsiadującymi cząsteczkami. Mówiąc prościej: cząsteczki chlorofilu “dzielą się” energią, tworząc zespół, który wspólnie jest w stanie wychwycić fale świetlne o niższej energii. Co istotne, proces ten zachodzi niezależnie od efektów transferu ładunku, co odróżnia go od mechanizmów spotykanych w innych znanych systemach o przesuniętym widmie.
Czytaj także: Może nie zachęcają wyglądem, ale mogą wykarmić nawet 10 mld ludzi. Czy tak wygląda żywność przyszłości?
Od głębin wodnych do biopaliw przyszłości
Dlaczego to odkrycie jest tak ważne dla przeciętnego człowieka? Eustigmatofity, do których należy badany glon, są znane ze swojej niezwykłej zdolności do gromadzenia dużych ilości olejów. Czyni je to idealnymi kandydatami do produkcji zrównoważonej bioenergii. Dzięki zrozumieniu, jak te organizmy radzą sobie w warunkach niedoboru światła, naukowcy mogą opracować metody hodowli alg w miejscach, które dotychczas uważano za nieprzydatne – na przykład w bardzo głębokich zbiornikach lub zamkniętych bioreaktorach o dużej gęstości, gdzie światło słoneczne ma problem z dotarciem do wszystkich komórek.
Ponadto, unikalna struktura tetrameru rVCP może posłużyć jako wzorzec dla inżynierów projektujących sztuczne systemy fotosyntetyczne. Jeśli zrozumiemy, jak sekwencja białka steruje ułożeniem pigmentów, będziemy mogli projektować nowe materiały zdolne do wychwytywania energii słonecznej z niespotykaną dotąd wydajnością.
To odkrycie pokazuje, że natura wciąż ma w zanadrzu wiele asów, a granice możliwości życia są znacznie dalej, niż nam się wydawało.
