Print deze pagina 16 juli 1999 1999/8

Meer licht op fotosynthese

Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden zijn er in geslaagd de overdracht van energie in één afzonderlijk molecuul in een fotosynthesesysteem direct zichtbaar te maken. Met conventionele technieken is het niet mogelijk de processen in afzonderlijke moleculen binnen het systeem te onderscheiden. Daardoor blijft wat er precies gebeurt altijd verborgen in het gemiddelde over alle moleculen. De nu verrichte metingen helpen te begrijpen waarom het transport van energie in dit soort systemen extreem snel en daarmee zeer efficiënt gebeurt. Over hun bevindingen publiceren ze in het Amerikaanse weekblad Science van 16 juli.

Fotosynthese, het proces dat zonlicht omzet in bruikbare chemische energie, vormt de basis van praktisch alle leven op aarde. Dit mechanisme levert de voor planten noodzakelijke energie om hun metabolisme te onderhouden en zorgt voor de omzetting van koolstofdioxide naar zuurstof. Deze omzetting vindt plaats in een minuscule moleculaire fabriek, het fotosynthetisch reactiecentrum, dat wordt aangedreven door zonlicht. Het reactiecentrum wordt omringd door zogeheten antennecomplexen, die fotonen van de zon absorberen en de energie razendsnel en extreem efficiënt overdragen aan het reactiecentrum. De antennecomplexen worden in het jargon aangeduid als 'light-harvesting' (ofwel licht oogstende) complexen.

Opname van energie uit het zonlicht
De onderzoekers Antoine van Oijen, Martijn Ketelaars en Jürgen Köhler uit de groepen van professor Jan Schmidt en dr. Thijs Aartsma in Leiden, hebben metingen gedaan aan afzonderlijke complexen uit het fotosynthesesysteem van puperbacteriën (die leven op de bodem van vijvers en meren). In deze bacterieën wordt het reactiecentrum omringd (zie figuur 1) door het zogeheten light-harvesting 1 (LH1) complex, een ringvormig eiwit met lichtabsorberende bacteriochlorofyl pigmentmoleculen. Dit geheel wordt weer omgeven door een aantal exemplaren van het LH2-complex, cilindervormige eiwitten met daarin twee ringen gevormd door respectievelijk negen en achttien bacteriochlorofyl moleculen. Wanneer een foton van de zon wordt geabsorbeerd door één van die 27 pigmenten in het LH2-complex, zal de energie zich over de ringen voortbewegen en uiteindelijk via het LH1-complex in het reactiecentrum terechtkomen.
De Leidse onderzoekers hebben LH2-complexen geïsoleerd en één zo'n pigment-eiwitcomplex, bij de temperatuur van vloeibaar helium (-272 graden Celsius), in het brandpunt van een lasermicroscoop gebracht. Door te werken bij zo'n lage temperatuur zetten de onderzoekers allerlei gewoonlijk werkzame processen op zo'n laag pitje, dat ze de metingen niet meer beïnvloeden. In het experiment variëren de onderzoekers de golflengte van het laserlicht en meten dan de fluorescentie uit het complex (zie figuur 2). Daarmee konden ze zichtbaar maken hoe nu precies het transport van energie over de twee ringen verloopt. Dit is onmogelijk in gewone spectroscopische metingen aan grote hoeveelheden complexen, omdat elk afzonderlijk LH2-complex weer nèt iets anders reageert op het laserlicht. Dat levert dus altijd een gemiddeld gedrag op, waaruit het preciese verloop van de gebeurtenissen niet gereconstrueerd kan worden.

Energie wordt razendsnel uitgesmeerd
In hun publicatie laten de fysici zien dat de energie van het ingevangen foton in de ring van negen bacteriochlorofyl pigmenten zich voortbeweegt door op een lukrake manier van het ene pigment naar het volgende te 'springen'. In de ring van achttien pigmenten echter is de energie niet meer geconcentreerd op afzonderlijke pigmenten, maar compleet uitgesmeerd over de hele ring. Het uitsmeren (delokalisatie genoemd) gebeurt razendsnel, binnen 100 femtoseconden (10-13 seconde!) na absorptie van het foton. Zo wordt de energie zeer snel en efficiënt overgebracht naar het beste punt om over te springen naar een naburig LH1-complex en vandaar naar het reactiecentrum.

Nieuwe informatie over structuur
Verder ontdekten de onderzoekers dat deze LH2-complexen in geisoleerde vorm niet meer ringvormig zijn, maar elliptisch vervormd. De ringvorm vertoont zich wanneer het complex volgens de conventionele werkwijze in gekristalliseerde vorm met röntgendiffractie wordt bekeken. Hiermee laten de onderzoekers zien dat de techniek om afzonderlijke moleculen te bekijken een waardevolle aanvulling kan vormen op gebruikelijke studies naar de structuur van fotosynthetische systemen. Men verwacht dat deze nieuwe manier om naar pigment-eiwitcomplexen te kijken niet alleen beperkt zal blijven tot deze LH2-complexen, maar toepasbaar zal blijken te zijn op een scala van pigment-eiwitcomplexen die de meest uiteenlopende rollen vervullen in levensprocessen, variërend van energieoverdracht in de fotosynthese tot enzymatische reacties in ons eigen lichaam.

Voor nadere informatie kan men contact opnemen drs. Antoine van Oijen, Huygens Laboratorium, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 59 07, e-mail antoine@molphys.leidenuniv.nl.