23.01.2020 - Tokyo University of Science

Neue Studie über ein kürzlich entdecktes Chlorophyllmolekül könnte der Schlüssel zu besseren Solarzellen sein

Wissenschaftler decken erstmals Ort und Funktion eines neuartigen Chlorophyllmoleküls auf

Alle lebenden Organismen brauchen für ihr Überleben Energie, und diese Energie kommt indirekt von der Sonne. Einige Organismen, wie Pflanzen, Cyanobakterien und Algen, sind in der Lage, diese Lichtenergie über einen Prozess namens "Photosynthese" direkt in chemische Energie umzuwandeln. Diese photosynthetischen Organismen enthalten spezielle Strukturen zur Vermittlung der Photosynthese, die "Photosysteme" genannt werden. Es gibt zwei Photosysteme, die Lichtenergie-Umwandlungsreaktionen durchführen, die sich jeweils aus einer Reihe von Proteinen und Pigmenten zusammensetzen. Unter den photosynthetischen Pigmenten ist das Chlorophyll das wichtigste, das nicht nur die Lichtenergie der Sonne einfängt, sondern auch an der "Elektronenübertragungskette" teilnimmt, einem molekularen Weg, auf dem Photonen (aus dem Sonnenlicht) in Elektronen (die als Energiequelle genutzt werden) umgewandelt werden. Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyllmolekülen, von denen jedes eine spezifische Funktion hat, die von der Absorption von Licht und dessen Umwandlung in Energie reicht. Außerdem absorbiert jedes Chlorophyllmolekül Licht in verschiedenen Regionen. Kürzlich wurde eine neue Art von Chlorophyll namens Chl f entdeckt, aber Details wie der genaue Ort und die Funktionsweise sind bis jetzt ein Rätsel geblieben.

In einer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, enthüllte ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Tatsuya Tomo von der Tokyo University of Science, Japan, und unter Beteiligung von Forschern der Okayama University, der Tsukuba University, der Kobe University und von RIKEN neue Details über den Ort und die Funktionen von Chl f. Sie wollten einen Einblick in den komplexen Prozess der Photosynthese gewinnen, da ein vertieftes Verständnis dieses Prozesses verschiedene zukünftige Anwendungen, wie z.B. die Entwicklung von Solarzellen, haben könnte. Prof. Tomo sagt über die Studie: "Der anfängliche Verlauf der Photosynthese beginnt, wenn das an diesen photochemischen Komplex gebundene photosynthetische Pigment Licht absorbiert. Wir analysierten die Struktur eines neu entdeckten photochemischen Komplexes, des Photosystems I mit Chl f, das ein Absorptionsmaximum auf der unteren Energieseite des Lichts (fernrotes Licht) hat. Außerdem haben wir die Funktion von Chl f analysiert."

Was die Wissenschaftler bisher wussten, war, dass Chl f "far-red-shifted" ist, was bedeutet, dass dieses Molekül fernrotes Licht aus dem unteren Bereich des Lichtspektrums absorbiert. Prof. Tomo und sein Team wollten tiefer graben und untersuchten dazu die Alge, in der Chl f zuerst entdeckt wurde. Mit Hilfe von Techniken wie der Kryo-Elektronenmikroskopie analysierten sie die hochauflösende Struktur des Photosystems in dieser Alge im Detail und fanden heraus, dass Chl f an der Peripherie des Photosystems I (einer der beiden Arten von Photosystemen) liegt, aber nicht in der Elektronentransferkette vorhanden ist. Sie fanden auch heraus, dass fernrotes Licht strukturelle Veränderungen im Photosystem verursacht, die mit der Synthese von Chl f in den Algen einhergehen, was sie zu der Schlussfolgerung veranlasst, dass Chl f diese strukturellen Veränderungen im Photosystem I verursacht. Das war spannend, denn dieser Befund erklärt erstmals, wie genau Chl f funktioniert. Prof. Tomo sagt: "Unsere Ergebnisse zeigten, dass das Auftreten von Chl f gut mit der Expression von Photosystem I Genen korreliert, die unter fernrotem Licht induziert werden. Dies deutet darauf hin, dass Chl f die Funktion hat, das fernrote Licht zu ernten und den Energietransfer bergauf zu verbessern. Wir fanden auch, dass die Aminosäuresequenz des Photosystems I so verändert wurde, dass sie die Struktur von Chl f aufnimmt.

Das Verständnis der Feinheiten der Photosynthese hat mehrere wichtige Anwendungen. Zum Beispiel ist die Nachahmung des Prozesses der Photosynthese in einem künstlichen System eine elegante Methode, Sonnenenergie einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln. Prof. Tomo erläutert: "Etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die auf die Erde fällt, ist sichtbares Licht, die andere Hälfte ist Infrarotlicht. Unsere Forschung bringt einen Mechanismus hervor, der Licht im unteren Energiespektrum nutzen kann, das noch nie zuvor gesehen wurde. Unsere Ergebnisse zeigen, wie die Effizienz der Energieübertragung bei der Photosynthese verbessert werden kann und liefern damit auch wichtige Erkenntnisse über die künstliche Photosynthese".

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