Исследование проводилось в лаборатории Старшего научного сотрудника Алана Аспуру-Гузика CIFAR в Гарвардском университете Постдокторантом CIFAR Дорэном Беннеттом, Сэмюэлем Бло и Кристофом Крайсбеком в сотрудничестве со Старшим научным сотрудником CIFAR Грегори Скоулзом в Принстонском университете. Их результаты были изданы на Слушаниях Национальной академии наук 27 марта.Растения и морские водоросли впитывают солнечный свет и передают энергию, используя белки, считающие окрашенным пигментами.
Пигмент, возбужденный фотоном, может передать ту энергию возбуждения к другому соседнему пигменту – как передавание эстафеты между бегунами в реле. Повторяя этот процесс энергию фотона несут в центр реакции, где это используется, чтобы произвести рост электростанции и кислород.Ученые долго задавались вопросом, как заводы перемещают эту энергию так быстро и эффективно через большое количество пигментов, окружающих каждый центр реакции.В этом исследовании исследователи сосредоточились на одном фотосинтетическом белке, известном как PC645.
Используя компьютерные моделирования и экспериментальные данные, они нашли, что PC645 управляет, куда энергия идет, настраивая колебания пигментов, чтобы увеличить энергетический транспорт вдоль определенных маршрутов.«Вы можете вообразить эти белки, используя колебания различных пигментов как транспортные сигналы, которые посылают возбуждения в одном направлении или другом», объясняет Беннетт, который был в Торонто для CIFAR Биовдохновленное соблюдение программы Солнечной энергии.Например, когда ‘синий’ пигмент взволнован, он мог передать возбуждение ко многим различным соседним пигментам с подобными энергиями. Управляя колебаниями, белки могут направить ‘синий’ пигмент, чтобы передать возбуждение к определенному ‘красному’ пигменту, таким образом, перескакивающему через пигменты с промежуточными цветами.
«Странная вещь состоит в том, что, когда Вы управляете экспериментами, возбуждение не понижает энергетическую лестницу. Это спрыгивает очень самый высокий звонивший к очень самый низкий звонивший и никогда ничего не касается в середине. Это заставляет Вас задаться вопросом – почему? И что еще более важно, как?» говорит Беннетт.
Ранее, исследователи думали, что это могло только быть объяснено квантовыми эффектами как запутанность. Последовательность Vibronic – запутанность между электронным и вибрационным движением – как думали, была необходима для быстрых скачков между совсем другими энергетическими уровнями. Однако это новое исследование предполагает, что то, что необходимо, не является vibronic последовательностью, но многочисленной группой колебаний, которые соединяют энергетический кризис между двумя пигментами.
«С существенной точки зрения этот вид классического механизма более полезен, потому что это прочно к разумным уровням беспорядка, которого могут достигнуть текущие синтетические методы», говорит Беннетт.Беннетт и его коллеги преследуют дальнейшее исследование в нескольких направлениях, включая продолжение учиться, как фотосинтетические белки могут управлять и увеличить энергетический транспорт, необходимый для эффективного фотосинтеза. Они также интересуются использованием этих естественных принципов разработки, чтобы помочь развивать новые материалы солнечной энергии.
«Одна из ключевых проблем – то, что нам нужны лучшие инструменты», объясняет Беннетт, «это моделирование потребовало, чтобы 10 миллионов часов центрального процессора и больше чем два года человеческого времени изучили один белок. В будущем мы надеемся ускорить это, возможно одалживая методы у области машинного обучения».