Ekstreme bakterier: Sådan laver de fotosyntese i næsten mørke
Ekstreme bakterier kan lave fotosyntese ud af ekstremt lidt lys. Nu ved danske forskere, hvordan de gør. Opdagelsen kan på sigt give bedre solceller, hvis vi kan finde ud af at efterligne naturen, siger forsker.
Fotosyntese, Bakterier

Danske forskere har været med til at finde en af de hellige graler inden for forskning i fotosyntese i bakterier. Da bakterierne kan lave fotosyntese i næsten mørke, kan opdagelsen muligvis bruges til at lave bedre solceller i fremtiden. (Foto: Shutterstock)

I mudderlaget på bunden af søer og have lever bakterier, der er så ekstreme, at de kan omdanne sollys til brugbar energi, selvom det for os mennesker at se er bælgravende mørkt omkring dem.

Bakterierne kan gøre dette ved hjælp af nogle helt unikke solfangende antenner, som danske forskere nu har været med til at kortlægge en del af strukturen af.

Opdagelsen, der har været en af fotosynteseforskernes hellige graler, kan muligvis på den lange bane bruges til at lave solceller, der kan omdanne sollys til elektricitet, selv når det er mørkt.

»Det er selvfølgelig et godt stykke ude i fremtiden, men vi kan bestemt lære noget af naturen. Hvis man forestiller sig, at vi i fremtiden gerne vil lave grønne solceller, som kan klare sig ved meget lidt lys, så kan viden omkring de her bakterier, og hvordan de gør det, være et skridt på vejen,« fortæller en af forskerne bag det nye studie, adjunkt Jakob Toudahl Nielsen fra Center for Insoluble Protein Structures (inSPIN) ved Interdiciplinary Nanoscience Center på Aarhus Universitet.

Studiet, der er lavet sammen med forskere fra Københavns Universitet samt forskere fra Sverige, Ungarn og Estland, er netop offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

Læs også: Hvorfor udfører mennesker ikke fotosyntese?

Bakterie har verdens største solfanger

For at blive helt specifik - og helt sikkert også en smule nørdet - handler det nye forskningsresultat om kortlægningen af den struktur, som molekylære solfangere sidder fast på i bakterien Chlorobaculum tepidum.

Solfangerne er de molekyler, som opfanger solens stråler, så organismen kan bruge energien i lyset og gro, mens C. tepidum er en fotosyntetisk grøn svovlbakterie, der lever i mudder i bunden af søer og have.

Netop C. tepidum er særdeles interessant i en solcelle-sammenhæng, da forskere længe har været imponerede over, at den kan omdanne sollys til brugbar energi og vækst, selvom kun meget få lysfotoner nogensinde når ned i mørket, hvor den lever.

Bakterien har til formålet udviklet nogle helt specielle solfangere, der er meget større og mere effektive, end hvad man kender fra andre fotosyntetiske organismer. Derfor er den interessant.

Det fortæller en af de andre forskere bag det nye studie.

»C. tepidum har udviklet en meget kompliceret antenne, som fagfolk kalder klorosomet. Denne specielle antenne er stoppet fuld af op imod 200.000 solfangende molekyler, hvilket gør den til den langt største antenne, der kendes fra naturen. Med denne antenne er bakterierne exceptionelt effektive til at opfange og omsætte den sparsomme solenergi, der når ned til dem,« siger lektor Niels-Ulrik Frigaard fra Biologisk Institut på Københavns Universitet.

Læs også: Fotosyntese: Sådan klarer planter solens skrappe stråler

Ti års forskning ved vejs ende

Nu bliver det så en tand mere teknisk.

Forskere har nemlig kendt til den overordnede opbygning af klorosomet samt strukturen af antennerne i flere år.

Til gengæld har man ikke kendt til strukturen af den plade af proteiner, som sidder i bunden af klorosomet.

»Man kender til strukturen af mange andre antenner i fotosyntetiske organismer, men disse er meget mindre og meget anderledes opbyggede end bundpladen i klorosomer. Derfor har netop bundpladens præcise opbygning været grund til frustrationer i årtier,« forklarer Niels-Ulrik Frigaard.

Denne bundplade er en forudsætning for, at bakterierne overhovedet kan have så store antenner, som de har, og den er derfor meget central i forståelsen af, hvordan bakterierne kan omdanne sollys så effektivt, som de kan.

Alligevel har forskere brugt ti forgæves år på at få den karakteriseret.

De har så at sige ikke set lyset - indtil nu.

»Det er strukturen af denne plade, som vi har bestemt. Fundamentet for den største og sværeste at kortlægge af de fotosyntetiske solfangende molekyler. Det er det sidste land eller den sidste bastion inden for forskning i de fotosyntetiske mekanismer på tværs af forskellige organismer, som vi nu har indtaget,« fortæller en tilfreds Jakob Toudahl Nielsen.

Læs også: Gennembrud: Danske forskere finder 'omvendt fotosyntese'

Tysk kollega er imponeret

Ved indtagelsen af den sidste bastion har forskere nu også et komplet overblik over energibevægelsen fra sollys til brugbar energi inde i bakterien.

Det glæder den tyske forsker, Jürgen Köhler, der er professor på Institut for Markomolekylærforskning ved Universität Bayreuth.

Jürgen Köhler forsker selv i C. Tepidum, og han er begejstret.

»At have den tredimensionelle struktur af bundpladen er et stort skridt fremad i forståelsen af funktionen og energioverførelsen af hele antennesystemet. Hidtil har en af komponenterne i energioverførelsen være ukendt - navnlig bundpladens rolle – så hvis det her studie holder vand, udfylder det et tomrum i vores viden,« siger han.

Så vigtig er bundpladen

Kortlægningen af bundpladens struktur viste, at bundpladen består af meget store og komplicerede systemer af rør i nanostørrelse (det er meget småt, men stort på en molekylær målestok), der klumper sig sammen med solfanger-molekylerne og fungerer som en slags lyslederkabler for det store, komplicerede klorosom.

Forskerne fandt også ud af, at antennerne er organiseret som gulerødder i et bed i den store bundplade.

bakterie fotosyntese lys solfanger-molekyler bundplade

Illustrationen viser et klorosom, som det sidder på bakterien, og som gør det muligt for bakterien at leve på de ekstreme steder, hvor den har fundet sin niche. I denne fortegnede udgave, kan man se, hvordan lysets energi opfanges og ledes ned mod organismen. (1) er selve klorosomet, der rummer op mod 200.000 solfanger-molekyler (de såkaldte bakterio-klorofylmolekyler), som opfanger fotoner fra solen. Molekylerne leder fotonens energi videre ned mod bundpladen, som er den struktur, den dansk-ledede gruppe nu har afdækket (2). Her i bundpladen finder vi de nano-rør, der dels fungerer som fundament for solfanger-molekylerne, og dels leder energien effektivt videre mod resten af reaktionscenteret i bakterien (vist i grå her), hvor fotosyntesen kan foregå. I forstørrelsen (b) kan man se, hvordan de røde strenge – som består af proteiner – indhyller selve solfanger-molekylet, der overfører energien. På sin vis kan det minde lidt om en ledning, hvor proteinet er isoleringen og molekylet er kobberet inden i – på (c) kan denne ’ledning’ ses lidt bedre. Her er bundpladens nano-rør vist, som de sidder på rad og række i bundpladen. (Illustration: Jakob Toudahl Nielsen)

Ved at studere bundpladen fandt forskerne desuden ud af, at den overordnet set har to funktioner.

  1. For det første har den en strukturel rolle, hvor den er hjælper klorosomet med at orientere solfangerne i den rigtige retning, så de kan optage mest muligt af det sparsomme sollys i mudderet på bunden af havet.
     
  2. For det andet spiller bundpladen en rolle i opsamlingen af lysfotonerne. Den opsamler dem og sender dem det rigtige sted hen. På den måde bliver processen så ekstremt effektiv, som den er.

»Vores resultater giver en helt ny indsigt i de her molekyler, som andre forskere kan arbejde videre med fremover. Da vi nu kender strukturen og ved, hvor de forskellige elementer er placeret i forhold til hinanden, kan man nu begynde at regne på eksempelvis energieffektivitet og se, om vi kan efterligne det i menneskeskabte solceller. Vi kan også begynde at manipulere på forskellige dele for at finde ud af, hvordan denne meget effektive form for solcelle fungerer,« siger Jakob Toudahl Nielsen.

Som at lave puslespil uden brikker

I deres arbejde med at kortlægge bundpladen for det solfangende molekyle i C. tepidum startede forskerne på bar bund.

De skulle i overført betydning samle et puslespil, men kendte hverken brikkerne eller motivet. Der var heller ingen gængse metoder til at kortlægge hverken det ene eller det andet.

Indledningsvist startede forskerne derfor med at lave en genetisk modificeret version af bakterien. De skabte en mere 'simpel' version, hvor de bedre kunne studere antennerne.

Forskerne brugte derefter kryo-elektronmikroskopi, der er en særlig form for mikroskopi, som gjorde dem i stand til at se, hvilke delkomponenter antennerne og i særdeleshed bundpladen er opbygget af. På den måde fandt forskerne ud af selve motivet i puslespillet.

For at finde frem til brikkerne, benyttede forskerne sig af NMR-spektroskopi (Nordens kraftigste findes på Aarhus Universitet), som giver en atomar opløsning af det studerede. Forskerne kunne på den måde se, hvilke dele puslespillet var opbygget af – altså brikkerne.

Til sidst fandt forskerne ud af, hvordan brikkerne passede sammen ved at benytte sig af optisk spektroskopi, som gjorde dem i stand til at finde ud af de relative orienteringer af molekyler i forhold til hinanden i strukturen.

Samlet set stod forskerne til sidst tilbage med motivet, brikkerne og en klar idé om, hvordan de skulle samle dem til det fuldendte billede af strukturen af bundpladen.

Samarbejde har gjort studiet muligt

Forskellige dele af forskergruppen har foretaget de forskellige dele af studiet, for at det har kunne lykkedes.

Det fortæller professor Niels Christian Nielsen, der er dekan for Science & Technology på Aarhus Universitet og en af hovedforfatterne bag det nye studie.

»Samarbejdet på tværs af faglighed og landegrænser har skabt et helt unikt redskab, som nu endelig har givet os en ny indsigt. Alle i det internationale samarbejde har bidraget med hel fantastiske ressourcer og viden, som alle har været uundværlige. Dette samarbejde giver dyb indsigt og lover godt for fremtidig forskning,« siger han.