Szegedi Tudományegyetem

TUDÁSPORTÁL

A fotoszintézis biofizikájának ultragyors, nanoszintű folyamatairól jelent meg cikk decemberben a Royal Society (UK) Open Biology folyóiratában a Szegedi Biológiai Kutatóközpont, a Szegedi Tudományegyetem és az ELI-ALPS közös kutatásának eredményeképpen. A publikáció tudományos eredményeiről a kutatócsoport vezetőjével Dr. Garab Győző biofizikus emeritus kutatóprofesszorral (SZBK) és Dr. Nagy László biofizikussal, az SZTE SZAOK és TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet egyetemi docensével beszélgettünk. A fotoszintézis alapkutatásának tétje akár a globális élelmiszertermelés megkétszerezése is lehet.

A publikáció új kérdéseket vet fel a fotoszintézis során megjelenő nagy erősségű elektromos terek dinamikus változásairól, valamint a fotokémiai reakcióközpont fehérjék szerkezeti módosulásairól. Mivel a fotoszintézis a földi élet, a bioszféra alapvető folyamata, az alapkutatásból később innovációs hasznosulások származhatnak a fotoszintetikus alapú biomasszatermelés, napenergiahasznosítás és más, a fényenergiával kapcsolatos fejlesztések terén.

PSII - az élet motorja

A fotoszintézis során a növények, algák és cianobaktériumok a vízből és a levegő széndioxidjából képesek szénhidrát molekulákat előállítani, táplálékkal látva el lényegében a bioszféra egészét; melléktermékként oxigén szabadul föl, ami megteremtette és fenntartja bolygónk oxigéndús atmoszféráját. A vízbontásához és a szén megkötéséhez a napfény fotonjai szolgáltatják az energiát. A fotoszintézis folyamatsora a fény elnyelésével kezdődik az ún. fénybegyűjtő antennakomplexekben, amelyek révén a fotoszintetikus szervezetek energiával látják el reakciócentrumaikat: a vízbontásért (és az oxigén felszabadításáért) felelős, ún. második fotokémiai rendszert (PSII-t), és a vele „sorba kapcsolt” első fotokémiai rendszert (PSI-t), amely a redukáló erőt hordozó NADPH szintéziséért felelős. A reakciócentrumokban lejátszódó töltésszétválasztás és az ezt követő "vektoriális" (irányrendezett) töltésvándorlás eredményeként a zárt membránvezikulum, a tilakoid membrán, belső és külső oldala között keletkező elektromos potenciál (ΔΨ) és a proton (ΔpH) grádiens energiáját felhasználva szintetizálódik az ATP, az "élővilág energia váltópénze" (1. ábra).

1. ábra: A fotoszintézis fényreakciójában résztvevő és ahhoz közvetlenül kapcsolódó fehérjekomplexek sematikus elhelyezkedése a zöld színtest ún. tilakoid membránjában az ahhoz kapcsolódó folyamatokkal. Nyilak jelölik a töltések (az elektron és a protonok) útját, a víz elbontásának, a NADPH és ATP szintézisének helyét a folyamathoz kapcsolódóan. Az ábra egyben a PSII igen komplex szerveződését is érzékelteti.

A PSII-t joggal tartjuk az élet motorjának: a CO₂ redukciójához szükséges elektronok – valamint a protonok és a képződő O₂ – végső, gyakorlatilag kimeríthetetlen forrása a víz, amelynek bontására a természetben csak a PSII képes.

Többszáz ezer Volt/centiméteres erőterek

A fotoszintézis alapfolyamatai mára már javarészt tisztázottak, részletes atomi felbontású szerkezeti, ultragyors kinetikai és energetikai jellemzések készültek; a tudományos eredményeket eddig 10 kémiai Nobel-díj ismerte el. Mégsem lehet lezárt tudományterületnek tekinteni a fotoszintézis-kutatást. A folyamat ugyanis egy mindössze 10 nanométer nagyságrendű molekula-komplexben játszódik, amelynek atomi szintű kristályszerkezetét csak a legújabb technológiák írták le. Ilyen méretek mellett a fotoszintézis elektronmozgását – elvben – a kvantummechanika hullámegyenletei képesek leírni. A fényenergiaátalakítás folyamatai is rendkívül összetettek – a vízbontástól a NADPH és az ATP szintéziséig a folyamatok a femtoszekundumtól (10^-15 másodperc) a tíz milliszekundumos (10^-2 másodperc) időskáláig zajlanak. A térben pedig az angströmtől a mikrométerig (10^-10 – 10^-6 m) tartó távolságokon több mint száz különböző fehérje, több tucatnyi különböző lipid és sok-sok ezer pigment molekula vesz részt a fényenergia átalakításában. Eközben akár több százezer V/cm erősségű, időben is változó elektromos erőterek (ΔΨ) alakulnak ki a reakciócentrumokban, illetve a membránokban. Az egymást követő folyamatoknak ez a kvantumos, gyors és dinamikus jellege még feltáratlan területeket hagy nyitva a fotoszintézis biofizikájának kutatói számára.

60 éves elméletet cáfoltak meg

A szegedi kutatócsoport a PSII reakciócentruma és a PSII evolúciós elődjének számító bakteriális reakciócentrum működése közötti hasonlóságokra összpontosította figyelmét. Egy 2021-ben megjelent tanulmányukban a PSII magasan szervezett fehérjekomplexét vizsgálták ismételt fényimpulzusok hatása alatt, és megállapították, hogy ennek során a fehérje szerkezete megváltozik, ami – meglepő módon – függött a fényimpulzusok követési idejétől. Adataik fényt derítettek arra is, hogy a fehérje „emlékszik” a korábbi megvilágítási eseményekre. Ez a „memória” csak úgy „kódolható” a proteinben, ha gerjesztések követési távolsága kellően nagy az ultragyors folyamatokhoz képest. A kutatók úgy gondolják, valami korábban ismeretlen folyamat befejezését kell megvárni a két esemény között.

Ez a felismerés – és a szisztematikus vizsgálatok, köztük ultragyors (pikoszekundumos – nanoszekundumos, 10^-12-10^-9 s) folyamatok követésével – megcáfolt egy 1963 óta elfogadott elméletet a PSII sötét-fény átmenetét kísérő fluoreszcencia jelek eredetéről. Az érintett klorofill fluoreszcencia indukció technika ma is az egyik legszélesebb körben használt módszer a fotoszintézis-kutatásban – amelyet izolált reakciócentrum komplexek, egész növények és akár kiterjedt területek élettani jellemzésére, a fotoszintetikus energiaátalakítás hatékonyságának meghatározására rutinszerűen használnak, a laborszinttől az űrtechnikáig. Ezért a kérdés tisztázása alapvető fontosságú lehet.

Az SZBK kutatóinak e vizsgálatai arra is rávilágítottak, hogy a korábban kétállapotúnak (zárt és nyitott) gondolt PSII reakciócentrum fokozatosan kialakuló fényadaptált állapotokat is felvesz, ami jelentősen befolyásolja a töltészétválasztás stabilitását. Ezeket a jelenségeket Dr. Garab Győző és munkatársai szerint a fehérje-komplexben lejátszódó dielektromos relaxációs folyamatok magyarázzák (2. ábra) – hasonlóan ahhoz, amit a PSII reakciócentruma ősének, a bakteriális reakciócentrumnak a viselkedéséről korábban már feltételeztek.

2. ábra: Fénygerjesztés hatására létrejövő „+” és „-” töltések körül kialakult elektromos tér erővonalainak egy lehetséges elrendeződése a PSII-ben. Az ábra a töltésszétválasztásban részt vevő főbb molekulákat mutatja és feltünteti a vízbontó enzim központi elemének egy (S₂⁺) állapotát is.

Három szegedi kutatóhely egyesítette munkáját

A jelenleg rendelkezésre álló adatok erősen sugallják a bakteriális reakcióközpont és második fotokémiai rendszer komplexek hasonló dinamikáját, hasonló fizikai mechanizmusait, amelyekben a dielektromos relaxációs folyamatok és a fehérjék szerkezeti memóriahatásai fontos szerepet játszanak. De rengeteg tényezőt kell megvizsgálnunk ahhoz, hogy innen előre jussunk. A töltésstabilizálódás például messze nem triviális; ott, azon a pár 10 angströmnyi környéken valaminek történnie kell, ami stabilizálja ezeket a töltés-párokat – vélik az SZBK és az SZTE kutatói, akik a bakteriális és a növényi reakciócentrumok több más, nem várt hasonló dinamikai sajátságára mutattak rá. A kétféle fotokémiai centrum kutatása korábban szinte párhuzamosan futott Szegeden: Dr. Nagy László évtizedek óta foglalkozott a bakteriális reakciócentrum témájával, míg Dr. Garab Győző és munkatársai növényi rendszereket vizsgáltak. Most ezt a két kutatási irányt egyesítették.

Dr. Nagy László szerint az a biokémiai, genetikai, sejtbiológiai kutatásokból már régóta látszott, hogy a növények második fotokémiai rendszere és a baktériumok fotokémiai egysége felépítésükben és működésükben nagyon hasonlítanak egymásra. 1988-ban kémiai Nobel-díjjal jutalmazták a bakteriális reakcióközpont kristályszerkezetének, abból pedig felépítésének atomi feloldású leírását, és évekkel később, amikor a növényi fotokémiai rendszer atomi felbontású szerkezete is elérhetővé vált, a homológiára vonatkozó sejtések beigazolódtak. Egyúttal azonban a két rendszer összehasonlítása közelebb vitt ahhoz is, hogy a reakcióközpontok dinamikájáról új kérdéseket tegyenek föl.

A fotoszintézis ultragyors folyamatainak megismerését célzó kutatásba az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet is bekapcsolódott. A megkérdezett kutatók egyetértettek abban, hogy az ELI-ALPS világszínvonalú berendezései segítségével, köztük a nagyenergiájú THz-es lézerimpulzusok keltette elektromos terek segítségével is, új megvilágításba helyezhetik a fotokémiai reakciócentrumokban lejátszódó dinamikus folyamatokat. A decemberben publikált tanulmány azt jósolja, hogy a PSII témájának magas élettani-mezőgazdasági és ökológiai jelentősége ösztönzi majd a kutatókat, hogy új távlatokat nyissanak a fényindukált szerkezeti átrendeződések megértésében. Az SZBK-SZTE-ELI-ALPS együttműködésében egy új kutatási projekt első megbeszélése máris szerveződik Szegeden.

Élet a fényből

A fotoszintézis kutatásának jelentőségét kérdéseinkre Dr. Garab Győző és Dr. Nagy László a folyamat hatalmas térbeli és időbeli léptékeivel jellemezték. A fotoszintézisnek a molekuláris szinttől a globális méretekig, a femtoszekundumtól a földtörténeti korokig átívelő hatása van, ami az ultragyors fotofizikai folyamatoktól a fotoszintézis mintegy 3,5 milliárd éves (~10¹⁷ másodperc) evolúciójáig 32 nagyságrendet tesz ki. A fotoszintézis során a nanométer nagyságrendű fotoszintetikus szerkezetek alakították át és tartják fenn ma is bolygónk atmoszféráját, nulla oxigéntartalomról és magas szén-dioxid szintről indulva. Fotoszintetikus szervezeteket megtalálni az Egyenlítőn éppúgy, mint az Anktartiszon, és alapvető működési elvük ugyanaz. A fotoszintézis központi rendszerei, a reakciócentrumok nagyon kis eltéréssel ugyanúgy működnek a tenger mélyén, mint 3000 méter magasan. A perifériális rendszerek viszont változhatnak, és ez alkalmazkodó képességet is ad az életfolyamatok számára.

A fotoszintézis energiamérlegének összméretére jellemző, hogy a napenergiából átalakított kémiai energia termelésének éves átlagos teljesítménye a Földön 120 TW, míg az emberiség éves energiafelhasználása jelenleg mintegy 16-17 TW. Ez a teljesítmény a fotoszintetikus energiaátalakítást a legnagyobb globális energiaátalakítási folyamattá teszi. Ugyanakkor a fotoszintézis energiaátalakító hatékonysága nem túl nagy, a termesztett növények a rájuk eső napenergiának mindössze kb. 1%-át alakítják át biomasszává (ezzel együtt szénhidrátokká is). Ez az alacsony hozam annál is meglepőbb, mivel az elsődleges folyamatok kvantumhatékonysága megközelíti a 100 százalékot.

De hogyan lehetséges, hogy a közel 100%-os kvantumhatékonyságú fotoszintézis a napfényből csak 1 százaléknyi energiát hasznosít?

– Az, hogy a fotoszintézis szinte 100%-os kvantumhatásfokkal használja a napfényt, azt jelenti, hogy minden egyes elnyelt fénykvantum kiváltja az elektronszállítást – mondta Dr. Garab Győző. – Az energiaátalakítás azonban már feláldozódik annak érdekében, hogy egyszerű legyen a folyamat. Elvégre, amikor a fotoszintézis kialakult, napfényből volt elegendő mennyiség (és persze most sem korlátozó tényező az élőlények számára), nem kellett optimalizálni. A természet inventív, roppant „célirányos” – de néha fantáziátlan. Példa erre a porfirin nevű, fénybegyűjtésre alkalmas pigment, amelynek 4 fényabszorbciós sávja van, kettő a vörösben és kettő a kékben. A kék fénnyel végzett gerjesztés közel kétszer akkora energiát hordoz, mint a vörös fényű gerjesztés. A fotoszintézis azonban elpazarolja, hővé alakítja ezt a plusz energiát, és a kékből is vörös gerjesztést csinál. Ezt azért teszi, mert így nem kell külön mechanizmust kitalálnia a kék és vörös fotonokra. Ennek az egyszerűsítésnek az ára az energiaveszteség. Más veszteség is hasznos a folyamat szempontjából: az elektronátadás során a rendszer energiát veszít, amivel stabilizálódik. Így megoldódik az a probléma, hogy az elektron ne tudjon visszakerülni oda, ahonnan elindult, csak előre tudjon menni, az alacsonyabb energia irányába. Így tehát az energiaveszteség a fotoszintézis természetes velejárója. Természetes „veszteség” az is, amit a rendszer önszerveződésre és védekezési mechanizmusokra fordít; ugyanakkor sok ilyen veszteség elkerülhető – fejtette ki az SZBK kutatóprofesszora.

Gépet működtethet a fényátalakító fehérje?

Dr. Garab Győző és Dr. Nagy László egyetértett abban, hogy a fotovoltaikus energiával kapcsolatos kutatások annyira sokirányúak, hogy a jövőben valószínűleg használni fogják az innen származó innovációkat. Prognózisuk szerint inkább sokféle, mint egyetlen döntő jelentőségű innováció várható a területről. A fotoszintetikus termelés – biotechnológiai eszközökkel elérhető – növelésének célja lehet a biomassza-termelés növelése (pl. élelmiszer-termelés, bioüzemanyag-termelés, a fűtési energia céljából), a fényenergia elektromos árammá történő átalakítása vagy a globális széndioxid-kibocsátás csökkentése.

Dr. Nagy László emellett az élő és élettelen összetevőkből álló hibrid rendszerek fejlesztése előtt is lát jövőt:

– A reakciócentrum-fehérje a földi energiatermelés motorja. Ebben a 10 nanométeres fehérjében zajlik az a folyamat, amely a fényenergiát hasznos munkára fogható energiává alakítja. Elképzelhetetlen, hogy ebből ne legyen innovációs irány. Például az, hogy a fehérje nanorendszerekhez köthető; egyenként rá lehet például kötni szén nanocsövekre vagy más kétdimenziós felületekre (pl. grafén felületére), és ha megvilágítjuk, akkor fotoáramot lehet rajta mérni. A kezünkben van egy olyan fehérje, amelyik a természetben a legjobban tudja a fényenergia-átalakítást végezni. A kételkedők hangoztatják, hogy ez egy biológiai rendszer, az evolúció arra találta ki, hogy az élő rendszerben működjön. Én azonban hiszek abban, hogy például a szenzortervezésben, vagy a nanotechnológia, biofotonika, bioelektronika legkülönbözőbb területein (bio-szenzortechnológia, integrált áramkörök, gyors kapcsolók, stb) lehetséges az alkalmazása. Ha a fotoszintetikus energiatermelés hatékonyságát bármilyen célra növelni szeretnénk, akkor a folyamatok fő lépéseinek energiaátalakítási hozamát kell tanulmányoznunk. Abban azonban szkeptikus vagyok, hogy a jövőben a reakciócentrum fehérjéje kerülne fel a háztetőre napelem helyett, de vannak példák (piacon levő rendszerek, pl. bioszenzor alapon működő vércukormérő) már arra, hogy biológiai rendszerek nembiológiai rendszerekkel kombinálva hatékonyan működtethetők. Emellett az extrém körülmények között, pl. hőforrások vizében élő élőlények „tudása” is kiaknázható lehet – magyarázta az SZTE biofizikusa.

A fotoszintézis újratervezése

Dr. Garab Győző arra hívta fel a figyelmet, hogy az energiaveszteség ellenére a fotoszintézis által inspirált mesterséges rendszerekben magas a résztvevő anyagok önszerveződési képessége; a bioszféra energiaellátására például gigatonnákban mérhető mennyiségű klorofill szintetizálódik és bomlik el minden évben. Ez a tulajdonság reményt ad arra, hogy a jövőben a tudomány a fényenergia-átalakítás olyan módozatait tervezze meg, amelyek globális méretekben is segítik a szoláris energia kiaknázását.

Az SZBK kutatója szerint már a természetes fotoszintézis újratervezése is valós tudományos célkitűzés. Fotoszintézis 2.0 néven jelenleg is nemzetközi program épül arra a célra, hogy a haszonnövények egyes tulajdonságait felerősítsék a fotoszintézis áttervezése révén. A növény ugyanis az átalakított napfényenergiából olyan célokra is fordít, amelyekre a termesztésekor nem lenne szükség, ebből a szempontból tehát ez az energia feltétlenül veszteségnek látszik. A beavatkozás például fel tudja erősíteni egy növény szárazságtűrő tulajdonságát a fagytűrése rovására. A kutatóprofesszor szerint abban a helyzetben, amikor a globális élelmiszertermelés elérte maximumát, és ezt agrokémiai úton már nem lehet fokozni, a fotoszintézisbe való beleavatkozás még jelentős tartalékokat rejt. Ilyen innovációs iránnyá válhat az algák révén előállított biohidrogén termelés is, amelynek hatásfokát biológiai eszközökkel lehetséges fokozni.

A folyamat alapkutatásaiból ötletes alkalmazás származhat a hétköznapi mezőgazdaság számára is. Az alapkutatás kiderítheti például, hogy egy növény üvegházi fotoszintézise esetén mennyi idő alatt jut célba a fényenergia által gerjesztett elektron. Ha az üvegházban a hasznosuló színre optimalizált led-lámpával világítanak és az elektron hasznosulásra 5 milliszekundum az ideális, akkor fölösleges a folyamatos fény, elegendő az 5 ezredmásodpercenkénti világítás; az eredmény pedig energiatakarékosság lesz. Az már most látszik, hogy a fent említett szántóföldi körülmények között mérhető 1-2 %-os hatásfok laboratóriumban (pl. üvegházban tervezett körülmények között) jelentősen növelhető. Az 1% szántóföldi körülmények között mérhető hatásfok 2%-ra emelése az élelmiszertermelésnek akár megduplázódását is jelentheti.

Dr. Garab Győző és Dr. Nagy László fontosnak tartotta leszögezni, hogy bár vannak kutatások arra vonatkozóan, hogy a fotoszintézis egyes lépéseit, vagy akár az egészét is mesterséges bioinspirált vagy biomimetikus (a természetet utánzó) fejlesztésekkel helyettesítsék. Nem vitatható, hogy ezek a kutatások nagyon fontos ipari és egyéb felhasználási lehetőségekkel bírnak. A földi élet fennmaradásában azonban a természetes fotoszintézisnek nincs alternatívája, mesterséges folyamatokkal nem kiváltható, ezért a földi bioszféra folyamatait a lehető legjobban meg kell ismerni és minden eszközzel védeni kell.

Panek Sándor