Planter, alger, bakterier og andre iltproducerende organismer bruger fotosyntese, når de skal omdanne sollys til ilt og kulstoffer.
Det underlige er, at solens stråler indeholder energimængder, der i deres rå form burde flå planternes eller bakteriernes fotosynteseproducerende proteiner fra hinanden.
Derfor har det længe undret forskere, hvordan proteinerne så alligevel overlever.
Én af teorierne har været, at proteinerne er i stand til at ændre struktur og på den måde fordele energien fra sollyset jævnt og uskadeligt over proteinet.
Nu har danske forskere været med til at bekræfte denne teori og filme, hvordan det ser ud, når proteinet gør det.
Kan lede til bedre udnyttelse af solen
Opdagelsen kan ifølge en af de danske bidragydere til studiet hjælpe forskere til at lave bedre solceller, der kommer tættere på den perfektion, som naturen har brugt fire milliarder år på at opnå.
»Hvis vi skal blive bedre til at høste solens energi, er naturen det bedste sted at kigge hen. Det interessante perspektiv i vores opdagelse er derfor, at vi nu kan se, hvordan naturen har løst problemet med skadelig overskydende energi. Det kan vi bruge i vores eget arbejde med at designe effektive molekyler til at høste solenergi med,« siger postdoc ved DTU Fysik på Danmarks Tekniske Universitet, Kasper Skov Kjær.
Blandt andet forestiller Kasper Skov Kjær sig, at man på et tidspunkt vil vide nok om de molekylære mekanismer bag fotosyntesen til, at forskere vil kunne designe molekyler, der kan smides i et glas vand i solen og producere ilt og organiske kulstoffer kvit og frit.
Kasper Skov Kjær har sammen med kollegaerne postdoc Tim Brandt van Driel og professor Martin Meedom Nielsen netop offentliggjort forskningen det videnskabelige tidsskrift Nature Methods.
Proteiner laver proteinskælv
Når energi fra solen rammer en plante eller en anden fotosyntetisk organisme, kommer energien i form af fotoner.
Fotonerne rammer de fotosyntetiske proteiner i planten, og når det sker, overføres energien fra fotonerne til proteinet og fra proteinet til andre områder i plantecellerne, hvor energien kan udnyttes til blandt andet at omdanne kulilte og vand til ilt og organiske kulkæder.
I netop det øjeblik, hvor energien overføres fra fotonen til det energiabsorberende center i det fotosyntetiske protein, bliver en del af energien til varme.
Det betyder, at det energiabsorberende center i proteinet bliver opvarmet til flere hundrede grader i løbet af en brøkdel af et sekund.
Denne opvarmning burde ret beset få proteinet til at gå i stykker; men det gør det ikke.
Årsagen er, at proteinet lynhurtigt ændrer form, så energien fordeles ud over hele proteinet og afvikles harmløst i omgivelserne.
Kasper Skov Kjær forklarer:
»Proteinet laver en slags proteinskælv, hvor strukturændringer sørger for, at energien fra fotonerne ikke isoleres ét sted og flår proteinet fra hinanden. Det er naturens elegante løsning på et problem med potentielt set skadelige mængder solenergi,« siger han.
Skød på proteiner med laser
I studiet har forskerne skudt på fotosyntetiske proteiner med en laser. På den måde har de efterlignet effekten af solens stråler.
For at stressteste proteinerne, har forskerne ikke bare fyret én foton af sted af gangen, men i stedet sendt flere fotoner af sted for at presse det fotosyntetiske protein til det yderste.
Til at finde strukturændringer i proteinerne har forskerne desuden sendt røntgenstråler ind i deres prøver og filmet spredningen af røntgenstrålerne på den anden side af prøven.
Ved hjælp af røntgenstrålernes spredning kunne forskerne finde ud af, hvilke strukturændringer fotonbeskydningen havde forårsaget.
Hele den eksperimentelle metode er en nyskabelse, hvilket er årsagen til, at resultaterne er blevet offentliggjort i netop Nature Methods.
Energifordeling sker i etaper
Ved hjælp af den nye metode fandt forskerne ud af, at den første strukturændring sker i selve det energiabsorberende center i proteinet. Strukturændringen sker, i samme øjeblik fotonen rammer.
Derefter giver nogle spiralformede strukturer omkring det energiabsorberende center efter og forhindrer energien fra fotonen i at rive proteinet midt over.
»Ved hjælp af røntgenstrålerne kunne vi genskabe hele forløbet, fra fotonen ramte proteinet, til energien var afviklet. Desuden fik vi vist, at man ved hjælp af denne teknik kan lave meget præcise kortlægninger af det molekylære forløb i fotosyntesen. Teknikken kan vi fremover bruge til at lære endnu mere om, hvordan naturen har løst mange af de samme problemstillinger omkring solenergi, som vi også står overfor i dag,« siger Kasper Skov Kjær.
