Учёные нашли секрет идеального фотосинтеза
Представьте себе идеальную солнечную батарею. Ту, что превращает в энергию буквально каждый пойманный лучик, ничего не теряя по пути. Звучит как научная фантастика? А вот и нет — это рутина каждого зелёного листа. Во время фотосинтеза каждый фотон, собранный специальными «антенными» белками, генерирует энергию с пугающе высокой эффективностью. И знаете, что выяснили учёные? Главный секрет этой феноменальной производительности — хаос. Да-да, кажущийся беспорядок в расположении этих белков на самом деле и есть та самая магия, позволяющая достичь «квантовой эффективности, близкой к единице».
Давайте разберёмся, как это работает. Фотосинтез позволяет растениям и некоторым бактериям преобразовывать свет в химическую энергию. Ключевую роль здесь играет целая сеть белков-антенн. Они, как спутниковые тарелки, ловят фотоны и отправляют собранную энергию в реакционные центры — своеобразные электростанции, где она превращается в электроны для синтеза глюкозы и кислорода.
С передачей энергии внутри одного белка учёные давно разобрались. Но как только речь заходит о перемещении энергии между ними на десятки и сотни нанометров, начинается самое интересное. И самое сложное. Проблема в том, что этих белков много, расположены они неупорядоченно, да ещё и спектры у них накладываются друг на друга. Долгое время исследователи не могли понять, как системе вообще удаётся сохранять энергию фотона на таком «длинном» пути. Именно этот пробел и решили восполнить химики из Массачусетского технологического института (MIT).
В новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS, они впервые измерили энергию, которая передаётся между белками-антеннами. И их вывод буквально переворачивает привычную логику инженера: оказывается, случайное, неупорядоченное расположение этих белков не вредит, а, наоборот, значительно повышает эффективность передачи энергии. Хаос — это фича, а не баг!
Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии MIT и ведущий автор работы, объясняет этот парадокс так: «Для работы этой антенны необходима передача энергии на большие расстояния. Наше главное открытие заключается в том, что неупорядоренная организация светособирающих белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния«.
Беспорядок повышает эффективность передачи энергии
В качестве подопытных команда Шлау-Коэн выбрала пурпурные бактерии. Это любимцы учёных: они живут в среде, бедной кислородом, используют всего один реакционный центр и обладают очень удобными для наблюдения спектральными характеристиками. Идеальные «лабораторные коты» микромира.
У этих бактерий фотон путешествует по сети белков и пигментов (например, хлорофилла). Раньше за этим процессом следили с помощью сверхбыстрой спектроскопии — лазер бьёт фемтосекундными импульсами, и ты видишь, как энергия бежит по белку. Но чтобы увидеть, как она перепрыгивает с одного белка на другой, нужно точно знать, где эти белки находятся в пространстве. А это уже задачка со звёздочкой.
Чтобы её решить, исследователи создали синтетические мембраны нанометрового размера — нанодиски, которые повторяли состав бактериальных мембран. У пурпурных бактерий есть два типа антенных белков: LH2 (работает при нормальном свете) и LH3 (включается в сумерках). Учёные поместили эти белки в свои нанодиски и стали менять условия.
Контролируя размер дисков, они могли точно оценивать расстояние между белками. С помощью криоэлектронного микроскопа выяснилось, что в естественных условиях белки находятся друг от друга на расстоянии 2,5–3 нанометров. И вот тут начались открытия.
Оказалось, что если белки расположены близко, энергия перескакивает между ними всего за 6 пикосекунд (пикосекунда — это 10⁻¹² секунды). Если расстояние чуть больше — время прыжка увеличивается до 15 пикосекунд. «Когда фотон поглощается, остается совсем немного времени до того, как энергия будет потеряна в результате нежелательных процессов, таких как нерадиационный распад. Поэтому чем быстрее происходит преобразование, тем эффективнее«, — поясняет Шлау-Коэн. То есть скорость здесь — главный союзник.
А теперь самое важное: когда исследователи попытались выстроить белки в идеальный, строгий порядок (как солдат на плацу), эффективность передачи энергии резко упала. Получается, именно природный «беспорядок», та самая нерегулярная структура, которую мы видим в бактериях и растительных клетках, позволяет достичь рекордной эффективности. Случайность побеждает порядок в этой гонке за квантовым совершенством. И это наводит на мысль: возможно, та самая неоднородность, которая пронизывает всё живое — это не просто случайность, а прямое эволюционное преимущество, отточенное миллионами лет.
Что дальше? Команда MIT не собирается останавливаться. В планах — проследить, как энергия передается от антенн к реакционному центру, а затем изучить этот механизм у более сложных организмов, в том числе и у растений. Так что, возможно, скоро мы начнем проектировать солнечные панели не по чертежам инженеров, а по законам джунглей — где хаос правит бал и работает лучше любого алгоритма.
