סודות הפוטוסינתזה נחשפים בעזרת שיטת לייזר חדישה

תמונות ישירות, המראות כיצד אנרגית השמש נעה בתוככי הצמחים, התקבלו לראשונה לא מזמן בידי חוקרים מאימפריאל קולג' בלונדון

תמונות ישירות, המראות כיצד אנרגית השמש נעה בתוככי הצמחים, התקבלו לראשונה לא מזמן, בהתאם למחקר שהתפרסם בתחילת חודש פברואר בכתב-העת המדעי Physical Review Letters.

התמונות חשפו את המנגנון הפנימי של תהליך קבלת האנרגיה הסולארית היעיל ביותר בטבע – הפוטוסינתזה. בתוך חלבוני מערכת הפוטוסינתזה, אנרגיית השמש מתועלת באופן יעיל דרך פרודות שונות לשם שפעול תגובה כימית המאחסנת אנרגיה בתור מזון (סוכרים) והמשתמשת לשם כך בפחמן דו-חמצני. מדענים רבים מעוניינים מאוד לרתום את התהליך הזה בחפשם אחר פתרונות אנרגיה חדשים שיחליפו את הדלקים המאובנים. לשם כך, הם צריכים להבין את תהליך מעבר האנרגיה הזו על בוריו.

בחינת מעברי אנרגיה הינה שיטת מדידה חשובה להבנת פעילותן המפורטת של מערכות מגוונות, החל ממערכות ביולוגיות וכלה במנועי רכבים. אולם, במערכות בקנה-מידה זעיר כמו הפרודות המשמשות בפוטוסינתזה, השפעות קוונטיות באות לידי ביטוי ומקשות על המדענים להסביר כיצד פרודות אלו מסוגלות להעביר אנרגיה ביעילות גבוהה שכזו.

עד עתה, אחד המכשולים הרציניים ביותר היה העדר שיטה ישירה לצפייה בחלק מהמנגנונים הבסיסיים המעורבים במעבר האנרגיה שבין אלקטרונים לבין הפרודות.

“תמונות חדשות אלו הינן צילומים ישירים ומיידים של אנרגיה המועברת בין אלקטרונים דרך החלבון. באופן מפתיע, התמונות מספקות גם חשיפה של הדרך המורכבת בה אלקטרונים מגיבים. זה מספק לנו את הדבר הקרוב ביותר לטביעת-אצבע של צימוד-אלקטרוני,” אומר ד”ר Ian Mercer מביה”ס לפיסיקה באוניברסיטת דבלין שהינו הכותב הראשי של המאמר המתאר את המחקר החדיש הזה.

החוקרים בחנו דגימת חלבון המצוי בחיידק הקרוי LH2, שסופק להם ע”י אוניברסיטת גלזגו. החוקרים השתמשו דווקא בחלבון חיידקי זה מכיוון שהוא משתמש בקרינה באופן דומה לאופן שבו עושים זאת חלבוני צמחים בפוטוסינתזה. ע”י הקרנת הדגימה בפעימות לייזר בעלי עוצמה גבוהה החוקרים הצליחו לקבל מפה של נקודות זוהרות במצלמה בחלקיקים זעירים של השנייה. המיקום של כל נקודה ונקודה כזו תואם לזווית ייחודית שבה נפלט אור מהדגימה, וזה קשור באופן ישיר לתגובתם של האלקטרונים עם הלייזר המוקרן וזה עם זה.

שיטות מבוססות-לייזר חלופיות לאיסוף מידע מסוג כזה אומנם כבר קיימות, אולם הן דורשות כי הדגימה תהיה חשופה לקרינת הלייזר למשך זמן ארוך – עובדה המביאה לפירוקה של הדגימה. שיטות אלו נזקקות גם לסוגי עיבודים ממוחשבים “כבדים” יותר.

החוקרים נדרשו ללייזר יציב ועוצמתי ביותר בכדי שגישתם תפעל באורח יעיל ומדויק. הם מצאו לייזר שכזה במעבדת Rutherford Appleton (RAL). לייזר זה משתמש בטכנולוגיה מתקדמת שפותחה במחלקת הפיסיקה של אימפיריאל קולג' בלונדון לקבלת קרינה בעלת המאפיינים המתאימים לניסוי זה.

“הלייזר מפיק תחום נרחב של צבעים, המאפשר לנו למפות הרבה יותר רמות אנרגיה בחלבון. הזמינות של לייזר זה, הנגיש למגוון נרחב של מדענים, פותחת צוהר רחב למדע חדש ומרתק – כמו המחקר הנוכחי,” מסביר אחד מהכותבים הנוספים של המאמר.

באמצעות לייזר זה ניתן לקבל מיפוי מדויק בעזרת פעימה יחידה של קרינת לייזר, כלומר – ניתן לקבל מידע מלא לפני ובמהלך התגובה הכימית עצמה. ניתן להשתמש בשיטה גם עבור אפיון של דגימות יקרות-ערך ורגישות מכיוון שנדרשת כמות מועטה בלבד של דגימה. הודות לקצב של אלף פעימות לייזר בכל שנייה, לשיטה יש יכולת גדולה לשמש באפיון דגימות אוטומאטי ומהיר.

“יישומים נוספים של שיטה זו הינם ממש מעבר לפינה. אנו מקווים כי יום אחד נוכל לרתום לעזרתנו את המנגנונים המדהימים שלמדנו מפרודות, שתפקודיהן הושחזו במהלך מאות מיליוני שנים של אבולוציה,” אומר החוקר הראשי. החוקרים מיישמים עכשיו את גישתם זו בתחומי הביו-מדעים המולקולאריים ובהתקנים אלקטרוניים.

הידיעה מהאוניברסיטה