פיתוח דלק נקי כחיקוי של תהליך הפוטוסינתזה

צוות מדענים בינלאומי, בכללם חוקרים מאוניברסיטת אריזונה, התקדם שלב אחד קרוב יותר לחשיפת מסתרי הפוטוסינתזה, ואולי לפיתוחם הקרוב של דלקים נקיים יותר

צמחים ואצות, וכן חיידקים מסוג ציאנובקטריה, משתמשים בפוטוסינתזה בכדי ליצור חמצן וחומרי-מזון המשמשים להם כדלק לחיים. "דלק" זה הינו חומרים ברי-חמצון, כגון סוכרים ומימן. ישנם שני תצמידים של חלבון-צבען המתאמים את התגובות הראשוניות של קרינת האור בפוטוסינתזה חמצנית: פוטו-מערכת I (PSI) ופוטו-מערכת II (PSII). הבנת מנגנון פעילותן המדויק של שתי מערכות אלו הינה אחת מהמטרות החשובות ביותר של הביוכימאים.

המדענים מאוניברסיטת אריזונה, יחד עם עמיתיהם ממכון מקס פלנק בגרמניה, בחנו את מרכז התגובות של פוטו-המערכת I וגילו ממצא חשוב ביותר שתואר במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

החוקר Kevin Redding, פרופסור במחלקה לכימיה וביוכימיה, הוא המוביל את המחקר הנ"ל. מעבדת המחקר שלו יצרה מוטציות באצה ירוקה חד-תאית ('Chlamy',Chlamydomonas reinhardtii). באמצעות מוטציות אלו, החוקרים הראו כי המאורע הראשוני של העברת אלקטרון בעקבות קליטת אור השמש במרכז התגובה של PSI ניתן לייזום באופן עצמאי בכל אחד מנתיביו המקבילים. בו בעת, הם הראו כי למערכת יש שני מסלולים נפרדים לפיזור מטען הפועלים במקביל לשם הגברת הניצולת הכללית של העברת האלקטרון.

"למרות שידענו בעבר כי שני המסלולים משמשים במערכת PSI, וכי למוטציות שלנו היו השפעות על השימוש היחסי של כל אחד מהמסלולים, מה שלא ידענו היה כיצד בדיוק המוטציות משפיעות על כך," מסביר החוקר הראשי. "חשיפת המנגנון הובילה לתגלית כיצד פיזור המטען – הרגע שבו אנרגיה אלקטרומגנטית מומרת לאנרגיה כימית – מתרחש בדיוק."

עמיתיהם בגרמניה השתמשו בלייזרים אשר פלטו פעימות קרינה למרווחי-זמן של 60 מיליוניות המיליארד של השנייה בכדי לבחון את תהליכי העברת האלקטרון בשני המסלולים של PSI. זה אפשר להם לחזות במאורעות ראשוניים ביותר של מנגנון הפוטוסינתזה, כאלו המתרחשים בזמן של פיקו-שניות אחדות (מיליונית של מיליונית השנייה), שהוא מרווח זמן כה קצר שאטום רגיל במבנה הגבישי מצליח לבצע רק כתריסר תנודות במיקומו.

ניסויים ומדידות מתקדמות מאוד אלו חייבו שנתיים של מאמץ מעבדתי לשם הכנת דגימת חומר שהייתה מספיק נקייה. בכדי להסביר את התצפיות, החוקרים נאלצו לפתח גישת הדמיה קינטית ייחודית שאפשרה להם לאמוד את הקצב הפרטני של העברת כל אלקטרון ואלקטרון בין שני המסלולים המקבילים. השוואת ההשפעה של המוטציות שנעשו עבור כל אחד מהמסלולים מול המערכת המקורית הייתה חיונית לחשיפת קצבים אלו.

המחקר הנוכחי חשוב בשל שתי סיבות נפרדות. ראשית, הבנת מנגנון פעילותם של תצמידים אלו בטבע הינה חיונית למחקר בסיסי עתידי של מרכזי התגובות בפוטוסינתזה, ותגלית זו עשויה להיות כללית עבורם. שנית, השימוש בשני מסלולים משולבים, המפזרים מטען לשם הגדלת היעילות, הינו רעיון תכנוני שעשוי להיות מיושם בפיתוחים עתידיים של התקני פוטוסינתזה מלאכותיים.

לחברה שלנו כיום ישנו צורך מידי במקורות מתחדשים של דלק שהינם נפוצים, זולים וידידותיים לסביבה. השימוש באנרגיית השמש ליצירת דלק נקי, כגון מימן, הינו התהליך המעשי היחיד שיוכל לענות על הדרישות הללו בקנה-מידה גדול דיו שיספק את צריכת האנרגיה הגדלה של העולם המודרני. מחקר זה הינו שלב חשוב נוסף ברתימת אנרגיית השמש, בתהליך של פוטוסינתזה, לשם פיתוח מקורות דלק נקיים ומתחדשים.

הידיעה על המחקר