Doğanın ‘karartma anahtarını’ anlamak: Çalışma, alglerin pH ile fotosentezi nasıl düzenlediğine yeni bir ışık tutuyor

Constructor Üniversitesi ve Princeton Üniversitesi’nden yeni bir ortak çalışma Amerikan Kimya Derneği Dergisi Kriptofit alglerin loş, mavi-yeşil su altı ışığından enerji yakalayabilen özel ışık toplayıcı pigmentleri kullanarak verimli bir şekilde fotosentez yapma yeteneğine katkıda bulunan bir protein kompleksi olan PC645’e odaklanıyor. Fotosentez sırasında alglerin içindeki pH önemli ölçüde dalgalanabilir ve bu da ışık enerjisini nasıl yönettiklerini etkileyebilir.

Constructor-Princeton ekibi, PC645’in içindeki mesobiliverdinler (MBV’ler) olarak adlandırılan belirli pigmentlerin, pH’a duyarlı düzenleyiciler olarak hareket ettiğini ve organizmanın, dalgalanan pH seviyelerine yanıt olarak ışığı ne kadar verimli bir şekilde topladığını modüle ettiğini buldu. Bu, eğer bilim insanları bunun altında yatan amacı belirleyebilirlerse, sonuçları olabilecek yeni bir keşif.

İnşaatçı Üniversitesi ekibine liderlik eden teorik fizik profesörü Dr. Ulrich Kleinekathöfer, “Karartma anahtarını etkili bir şekilde bulduk, ancak aslında bunun ne işe yaradığını henüz bilmiyoruz” dedi. “Artık pH değişikliklerine dinamik olarak tepki veren bir mekanizma olduğunu biliyoruz ve bunun amacı hakkında bazı fikirlerimiz ve varsayımlarımız var, ancak daha fazla araştırmaya ihtiyaç olacak.”

Dimmer anahtarı nasıl çalışır?

Araştırma, Constructor Üniversitesi ve Princeton araştırmacılarının tamamlayıcı ve disiplinler arası uzmanlığını birleştirdi. Kleinekathöfer’in Hesaplamalı Fizik ve Biyofizik Grubu, pigmentlerin farklı pH seviyelerinde nasıl davrandığını modellemek için karmaşık bilgisayar simülasyonları gerçekleştirdi. Princeton Üniversitesi’nde, derginin baş editörü Profesör Gregory Scholes liderliğindeki bir araştırma ekibi Fiziksel Kimya Mektupları Dergisi ve Royal Society’den bir üye, hesaplamalı tahminleri doğrulamak için spektroskopiyi kullanarak deneysel ölçümler gerçekleştirdi.

İşbirliği, pH seviyeleri dalgalandığında, MBV pigmentlerinin titreşim özelliklerinde, enerji aktarım hızlarını iki ila üç kat değiştiren değişikliklere uğradığını, esasen pH arttıkça ışık toplama verimliliğindeki dimmer anahtarının azaldığını ve düştüğünde yedeklendiğini ortaya çıkardı. Kleinekathöfer’in hesaplamalı modelleri deneysel gözlemleri kantitatif olarak yeniden üretti ve yüksek pH’ta floresansın yaklaşık %40 ila %50 oranında söndürüldüğünü gösterdi.

Daha geniş bir fotosentetik strateji

Araştırma aynı zamanda pH’a bağlı bu düzenleyici mekanizmanın birden fazla fotosentetik protein türü arasında korunabileceğini ortaya çıkardı; bu da bunun, fotosentetik organizmaların çevresel değişikliklere yanıt vermek için kullandığı genel bir stratejiyi temsil edebileceğini öne sürüyor. Ekip, ilgili protein komplekslerinde benzer yapısal özellikler buldu; bu da dimmer anahtarı mekanizmasının başlangıçta düşünülenden daha yaygın olabileceğini gösteriyor.

Kleinekathöfer, “Mekanizmayı anlayabilir ve onu değiştirmenin yollarını bulabilirsek, bu, bir gün biyomedikal veya farmasötik uygulamalarda veya örneğin değişen iklimimize yanıt olarak mahsul verimini değiştirmek için kullanılabilecek türden bir şeydir” dedi.

“İnsanlar genetik modifikasyonlara karşı dikkatli olabilirler çünkü doğanın üretmek için genellikle çok uzun bir zaman ölçeğine ihtiyaç duyacağı adaptasyonları anında gerçekleştirebilirler. Ancak aynı zamanda değişen iklimimizin çevremizde hızlı değişikliklere neden olduğu bir zamanda yaşıyoruz. Bu tür modifikasyonları ve adaptasyonları kolaylaştırabilmek, değişen iklimimiz nedeniyle karşılaştığımız büyük zorluklara yanıt vermek için yararlı ve hatta gerekli bir araç olabilir.”

Kuantum ölçeğinde yaşam: Kuantum mekaniği ile biyolojinin birleştirilmesi

Bu çalışma, kuantum olgusunun biyolojik sistemlerde nasıl meydana geldiğini araştıran nispeten yeni ve doğası gereği disiplinler arası bir alan olan kuantum biyolojisinin yönüne bir bakış sunuyor. Kleinekathöfer, “Teorik bir fizikçi olarak, biyoloji, kimya ve fiziğin hep birlikte çalışarak bize doğal dünyamız hakkında yeni anlayış ve yeni bakış açıları kazandırdığını görmek çok ödüllendirici” dedi. “Gerçekten işin içine girdiğimizde, alanlar arasındaki sınırlar tamamen ortadan kalkabilir, bu da onu bu kadar heyecan verici bir araştırma alanı yapan şeyin bir parçası.”