Blueprint av et mikrobikk solanlegg avslørt

Strukturen av klorosomer i grønne svovelbakterier avklares

Rørformet solkraftverk: Klorofyller samles i klorosomene til C. tepidum i helikser som danner konsentriske rør (den grønne ringen viser strukturen i detalj). Disse klorosomene samler lys spesielt effektivt og kan tjene som modell for kunstige fotosyntetiske lysantenner. © G. Oostergetel / Universitetet i Groningen
lese høyt

Hvis du lever på lys der det ikke er mye, trenger du en spesiell antenne. Den grønne svovelbakterien Chlorobaculum tepidum, som finnes i dype, mørke vannlag, har slike "lette feller". Et internasjonalt team av forskere har nå avduket blåkopien av disse antennene.

Ved å kombinere smart eksperimenter og beregninger på en smart måte, bestemte forskerne hvordan de lysfølsomme klorofyllmolekylene er lokalisert i klorosomene. Klorosomer er de mest effektive enhetene i naturen for å samle lys. Strukturen deres kunne tjene som en blåkopi for kunstige systemer som konverterer solenergi til biodrivstoff på modellen for fotosyntese, ifølge forskerne i den tidlige utgaven av tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Solkraftverk for lysabsorpsjon

Et område i Baden-Württemberg ville sannsynligvis være nok til å dekke Europas drivstoffbehov i 2050 - hvis ti prosent av energien som faller i dette området som sollys kan omdannes til kjemisk energi, dvs. biodrivstoff. For å slukke tørsten til kjøretøyer, fly og skip med bioetanol eller diesel, slik det i dag er produsert fra biomasse, ville Forbundsrepublikken og Frankrike sammen antagelig ikke være store nok som et voksende område.

Men å omdanne ti prosent av den innfallende sollyset til et drivstoff, det være seg etanol eller hydrogen, skaper ikke noen teknologi ennå - men den ene eller den andre mikroorganismen. For eksempel den grønne svovelbakterien Chlorobaculum tepidum, som med sine klorosomer har veldig uvanlige og ekstremt effektive solkraftverk for å absorbere lys.

Imiter naturen

Av denne grunn har Alfred R. Holzwarth og teamet hans ved Max Planck Institute for Bioinorganic Chemistry forsket på klorosomene i flere år - med mål om å kopiere solkraftverkene for bakterier. Han har kommet litt nærmere dette målet. Et internasjonalt team av forskere, inkludert Holzwarth og Michael Reus fra Max Planck Institute i Mülheim, samt forskere fra universitetene i Leiden og Groningen og Penn State University i Philadelphia, har nå oppdaget hvordan klorosomene er bygget. utstilling

Følgelig stablet klorofylen i klorosomene til helikser. "Til nå har forskjellige muligheter blitt diskutert hvordan de individuelle klorofyllkompleksene er ordnet side om side, " sier Holzwarth: Dette spørsmålet er nå løst. Og ikke bare dette: også det var ingen klar ide om arrangementet av klorofyllstabler. De fleste forskere, som leter etter ideer til morgendagens biodrivstoffproduksjon i de solcellekraftverkene for bakterier, favoriserte lag.

Klorofyllhelix danner et rør

En feil idé, som forskerteamet nå har funnet: "De enkle klorofyllhelikene blir igjen viklet inn i en helix og danner dermed et rør, " forklarer Holzwarth. Og de enkelte rørene må også underkaste seg en ordre igjen: flere rør med forskjellige diametre griper seg sammen, som i en teleskopisk stang.

"I motsetning til i høyere planter, er denne komplekse hierarkiske strukturen fullstendig selvorganisert, " sier Holzwarth. I høyere planter griper proteiner inn: de omslutter klorofyllen og på denne måten tvinger den til en struktur. "Fordi klorosomene bare inneholder klorofyll, er de ideelle modeller for selvorganiserende tekniske lysantenner, " sier Holzwarth. Proteinene i kloroplastene fra høyere planter kan etterlignes på det meste med stor innsats.

Omkjøring fører til destinasjonen

Slik det ser ut i lysantennene til C. tepidum, har forskerne bare oppdaget ved en omkjøring og med en ny metode. Når det gjelder klorosomer, er røntgenkrystallografi den vanlige metoden for å bestemme strukturen til proteiner og andre biomolekyler. De individuelle klorosomer av en enkelt bakterie har forskjellig størrelse. Unde og grupperer seg derfor ikke i vanlige krystaller. Men dette er en forutsetning for å få et bilde av et stoff ved hjelp av røntgenkrystallografi.

For å kunne tegne en detaljert blåkopi av klorosomene, har forskerne ved University of Leiden undersøkt sammenhengene mellom tilstøtende klorofyllkomplekser ved hjelp av faststoff-nukleær spinnspektroskopi. Kollegene deres fra Universitetet i Groningen undersøkte også klorosomene ved lave temperaturer med et elektronmikroskop og fikk dermed et bilde av den større strukturen. I beregninger kombinerte forskerteamet deretter disse delvise visningene til et helhetsbilde av den eksakte molekylære ordningen.

Klorosomer med flere klorofyllarter

Imidlertid ble dette bildet opprinnelig uskarpt fordi klorosomene i villtypen, den naturlige formen av C. tepidum, inneholder flere klorofyllarter. Variantene er forskjellige i kjemiske vedlegg. Små forskjeller som uskarper bildet. "Det er grunnen til at kollegene våre ved Penn State University har produsert en mutant bakterie som bare produserer en variant av klorofyll, " sier Holzwarth: De forenklede klorosomene til mutantene gir nå teamet skarpe målinger og en detaljert struktur som tillater Forskere sammenlignet det vage bildet av villtype klorosomer.

I sammenligningen fant de likheter, men også forskjeller: Både mutanten og klorosomene av vill type er sammensatt av konsentriske rør. Imidlertid er kanalene til mutanten viklet annerledes: mens klorofyllheltene av vill type vikler parallelt med rørets akse som ledningene til et tau, danner de stablede ringer i mutanten. "Vi var ganske overrasket over at en så liten forskjell i kjemisk sammensetning har så stor innvirkning på strukturen, " sier Holzwarth.

Et blikk på bakteriens evolusjonshistorie lyktes

Sammenligningen mellom villtype og mutant gjorde ikke bare forskerne i stand til å lese klorosomstrukturen til Chlorobaculum tepidum, den ga dem også et innblikk i bakteriens evolusjonshistorie. At protozoen stabler forskjellige klorofyllvarianter i lysantennene, representerer et relativt nytt trinn i evolusjonen. Selv om dette gjør det vanskelig for forskere å avsløre deres struktur, utvider det spekteret av sollys som kan fange opp lysantennene og dermed øker rekkevidden effektivitet.

Før Holzwarth og hans kolleger forsøker en så finjustering, som evolusjonen har trimmet lysantennenes effektivitet med, må de fortsatt løse noen grunnleggende problemer. "Vi ønsker nå å finne ut mer om hvordan lysabsorpsjon fungerer i klorosomene, " sier Holzwarth. Først da lover søket etter kunstige antenner med lignende effektivitet suksess.

Men dette markerer også bare halvparten av avstanden, til solenergien effektivt kan bindes i biodrivstoff, slik forskeren forklarer: "Vi må koble antennene til et enkelt system som forvandler den fangede lysenergien til kjemisk energi, dvs. fotosyntese fra karbondioksid bygger opp sukker eller frigjør hydrogen fra vann. "

(MPG, 15.05.2009 - DLO)