اندازه گیری انتقال انرژی بین پروتئین های جمع آور نور

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، وقتی سلول های فتوسنتزی نور خورشید را جذب می کنند، بسته های انرژی به نام فوتون ها بین مجموعه ای از پروتئین های جمع آوری نور تا رسیدن به مرکز واکنش فتوسنتزی می جهند. در آنجا سلول ها انرژی را به الکترون تبدیل می کنند که در نهایت تولید مولکول های قند را تامین می کند.

برای اولین بار، محققان توانستند انتقال انرژی بین پروتئین های جمع آوری نور را اندازه گیری کنند و به آنها این امکان را داد تا کشف کنند که آرایش نامرتب این پروتئین ها، کارایی انتقال انرژی را افزایش می دهد. یافته کلیدی این است که سازماندهی نامنظم پروتئین های برداشت کننده نور، کارایی این انتقال انرژی در مسافت های طولانی را افزایش می دهد.

دایهائو وانگ و دویر هریس، فوق دکترای MIT و اولیویا فیبیگ، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. جیانشو کائو، استاد شیمی MIT، نیز نویسنده این مقاله است.

جذب انرژی

برای این مطالعه، تیم MIT بر روی باکتری های بنفش، که اغلب در محیط های آبی فقیر از اکسیژن یافت می شوند و معمولاً به عنوان مدلی برای مطالعات برداشت نور فتوسنتزی استفاده می شوند، تمرکز کردند. در داخل این سلول ها، فوتون های گرفته شده از طریق مجتمع های برداشت نور متشکل از پروتئین ها و رنگدانه های جذب کننده نور مانند کلروفیل حرکت می کنند. با استفاده از طیف سنجی فوق سریع، تکنیکی که از پالس های لیزری بسیار کوتاه برای مطالعه رویدادهایی که در بازه های زمانی فمتوثانیه تا نانوثانیه اتفاق می افتند، استفاده می کند، دانشمندان توانسته اند چگونگی حرکت انرژی را در درون یکی از این پروتئین ها مطالعه کنند. با این حال، مطالعه چگونگی حرکت انرژی بین این پروتئین ها بسیار چالش برانگیزتر است زیرا مستلزم قرار دادن چندین پروتئین به روشی کنترل شده است.

تیم MIT برای ایجاد یک مجموعه آزمایشی که بتواند نحوه حرکت انرژی بین دو پروتئین را اندازه گیری کند، غشاهای نانومقیاس مصنوعی با ترکیبی شبیه به غشای سلولی طبیعی طراحی کردند. با کنترل اندازه این غشاها که به نانودیسک ها معروف هستند، توانستند فاصله بین دو پروتئین تعبیه شده در دیسک ها را کنترل کنند.

برای این مطالعه، محققان دو نسخه از پروتئین اولیه جمع آوری نور موجود در باکتری های بنفش، معروف به LH2 و LH3 را در نانودیسک های خود جاسازی کردند. LH2 پروتئینی است که در شرایط نوری معمولی وجود دارد و LH3 گونه ای است که معمولاً فقط در شرایط نور کم بیان می شود.

با استفاده از میکروسکوپ کرایو الکترونی در تاسیسات MIT.nano، محققان می توانند پروتئین های تعبیه شده در غشاء خود را تصویربرداری کنند و نشان دهند که آنها در فواصل مشابه با آنچه در غشای اصلی دیده می شوند قرار گرفته اند. آنها همچنین توانستند فاصله بین پروتئین های برداشت کننده نور را که در مقیاس 2.5 تا 3 نانومتر بود، اندازه گیری کنند.

از آنجایی که LH2 و LH3 طول موج های کمی متفاوت از نور را جذب می کنند، می توان از طیف سنجی فوق سریع برای مشاهده انتقال انرژی بین آنها استفاده کرد. برای پروتئین هایی که در فاصله نزدیک با هم قرار گرفته اند، محققان دریافتند که حدود 6 پیکوثانیه طول می کشد تا یک فوتون انرژی بین آنها حرکت کند. برای پروتئین هایی که از هم دورتر هستند، انتقال تا 15 پیکو ثانیه طول می کشد.

سفر سریعتر به معنای انتقال انرژی کارآمدتر است، زیرا هر چه سفر طولانی تر باشد، انرژی بیشتری در طول انتقال از دست می رود.

Schlau-Cohen می گوید: وقتی یک فوتون جذب می شود، شما فقط زمان زیادی دارید که انرژی از طریق فرآیندهای ناخواسته مانند واپاشی غیر تشعشعی از بین برود، بنابراین هرچه سریع تر تبدیل شود، کارآمدتر خواهد بود.

سازمان دهی منظم در واقع کارایی کمتری نسبت به سازمان دهی بی نظم زیست شناسی دارد، که فکر می کنیم واقعاً جالب است زیرا زیست شناسی تمایل به بی نظمی دارد. Schlau-Cohen می گوید: این یافته به ما می گوید که این ممکن است نه تنها یک جنبه منفی اجتناب ناپذیر زیست شناسی باشد، بلکه ممکن است موجودات زنده برای استفاده از آن تکامل یافته باشند.

اکنون که آنها توانایی اندازه گیری انتقال انرژی بین پروتئینی را ایجاد کرده اند، محققان قصد دارند انتقال انرژی بین پروتئین های دیگر را بررسی کنند، مانند انتقال بین پروتئین های آنتن به پروتئین های مرکز واکنش. آنها همچنین قصد دارند انتقال انرژی بین پروتئین های آنتن موجود در موجودات غیر از باکتری های بنفش مانند گیاهان سبز را مطالعه کنند.

(ارائه شده توسط موسسه فناوری ماساچوست)