Planter, alger, bakterier og andre oksygenproduserende organismer bruker fotosyntese når de skal konvertere sollys til oksygen og karbonforbindelser.

Solstråler inneholder imidlertid energimengder som burde ødelegge de proteinene som står for denne prosessen.

En av teoriene for å forklare hvorfor de ikke ødelegges har vært at proteinene kan endre struktur og dermed fordele energien mer jevnt utover. Nå har forskere filmet prosessen.

Kan føre til bedre utnyttelse av solen

Ifølge en av forskerne kan dette føre til solceller som kommer nærmere den perfeksjonen naturen har brukt milliarder år på å oppnå.

– Hvis vi skal bli flinkere til å høste energi fra solen bør vi se på hvordan naturen gjør det. Her kan vi se en løsning på problemet med skadelig overskytende energi. Det kan vi bruke i vårt eget arbeid med å designe effektive molekyler for å høste solenergi, sier Kasper Skov Kjær, som er postdoktor ved DTU Fysik ved Danmarks Tekniske Universitet.

Kjær mener forskerne i fremtiden vil kunne designe molekyler som på en enkel måte kan produsere oksygen og organiske karbonforbindelser.

Lager «proteinskjelv»

Når energi fra solen treffer en plante eller en annen fotosyntetisk organisme, kommer energien i form av fotoner.

Fotonene treffer bestemte proteiner og overføres til andre områder i plantecellene, hvor den blant annet brukes til å konvertere karbondioksid og vann til oksygen og organiske karbonforbindelser.

En del av energien blir til varme. Det innebærer at det energiabsorberende senteret i proteinet blir varmet opp til flere hundre grader i løpet av en brøkdel av et sekund.

Dette burde ødelegge proteinet. Men det gjør det ikke.

Årsaken er at proteinet lynraskt endrer form, slik energien fordeles ut over hele proteinet og overføres til omgivelsene.

Kasper Skov Kjær forklarer:

– Proteinet lager en slags «proteinskjelv», hvor strukturendringer sørger for at energien fra fotonene ikke isoleres ett sted og ødelegger det. Det er en elegant løsning på problemet med potensielt skadelige mengder solenergi, sier han.

Skjøt på proteiner med laser

I studien har forskerne skutt på fotosyntetiske proteiner med en laser. Dermed har de etterlignet effekten av solens stråler.

De har økt styrken på laseren for å presse proteinet til det ytterste.

For å finne strukturendringer i proteinene har forskerne dessuten sendt røntgenstråler mot prøvene sine og filmet spredningen av strålene.

Hele metoden er en nyskapning, noe som er årsaken til at resultatene har blitt offentliggjort i nettopp Nature Methods.

Energifordeling skjer i etapper

Ved hjelp av den nye metoden fant forskerne ut at den første strukturendringen skjer i selve det energiabsorberende senteret i proteinet. Strukturendringen skjer i samme øyeblikk som fotonet treffer.

Spiralformede strukturer omkring senteret gir etter og hindrer at energien fra fotonet river proteinet i filler.

– Ved hjelp av røntgenstrålene kunne vi gjenskape hele forløpet, helt til energien var avviklet. Dessuten fikk vi vist at man ved hjelp av denne teknikken kan kartlegge forløpet i fotosyntesen helt ned på molekylnivå. Dermed kan vi lære enda mer om hvordan naturen har løst mange av de problemstillingene omkring solenergi som vi også står overfor i dag, sier Kjær.

Referanse:

David Arnlund m. fl.:Visualizing a protein quake with time-resolved X-ray scattering at a free-electron laser,Nature Methods, doi:10.1038/nmeth.3067

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.