Ánh sáng mặt trời và lá cây (Ảnh:
© Elena Volkova/Adobe Stock )
Chẳng có gì ngạc nhiên rằng các nhà khoa học từ lâu vẫn luôn tìm
cách để tìm hiểu em chúng làm điều đó chính xác bằng cách nào với
hy vọng sử dụng kiến thức này để cải thiện các thiết bị nhân tạo
như cảm biến và pin mặt trời.
Các
nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ năng lượng Hoa Kỳ
đang làm việc với các cộng tác viên tại Đại học
Washington ở St. Louis gần đây đã giải mã được một phần rất quan
trọng của bí ẩn lâu đời này, tậm trung vào các sự kiện cực nhanh ban
đầu mà qua đó các protein quang hợp thu ánh sáng và sử dụng ánh sáng
để khơi mào cho một loạt các phản ứng truyền electron.
“Để
hiểu cách sinh học cấp nhiên liệu cho tất cả các hoạt động sâu bên
trong của nó, bạn phải hiểu về truyền electron. Chuyển động của các
electron là tối quan trọng: đó là cách công việc được thực hiện bên
trong một tế bào”, nhà lý sinh học tại Phòng thí nghiệm Argonne Philip
Laible giải thích.
Trong
các sinh vật quang hợp, các quá trình này bắt đầu với việc hấp thu
một photon ánh sáng bằng các chất sắc tố nằm trong protein. Mỗi photon
sẽ đẩy một electron đi qua một màng nằm bên trong các buồng chuyên môn
hóa ở bên trong tế bào.
“Phân
tách điện tích qua màng và ổn định nó là tối quan trọng vì nó sẽ
tạo năng lượng cung cấp cho sự sinh trưởng của thử nghiệm”, nhà sinh
hóa học tại Phòng thí nghiệm Argonne Deborah Hanson cho biết.
Nhóm
nghiên cứu đã thu được kiến thức giá trị về các bước ban đầu của
quá trình này: hành trình của electron.
Cách
đây gần 30 năm khi cấu trúc đầu tiên của các dạng phức hợp này được
hé lộ, các nhà khoa học đã ngạc nhiên khi khám phá ra rằng sau khi hấp
thu ánh sáng, quá trình truyền electron đối mặt với một tình huống
tiến thoái lưỡng nan: có 2 đường dẫn mà electron có thể đi qua.
Trong
tự nhiên, thực vật, tảo và vi khuẩn quang hợp chỉ sử dụng một đường
dẫn và các nhà khoa học lúc đó không biết vì sao. Điều mà họ biết là
việc đẩy electron đi qua màng – khai thác hiệu quả năng lượng của photon
– đòi hỏi nhiều bước. Các nhà nghiên cứu nay đã cố gắng can thiệp vào
mỗi bước đó để thay đổi đường đi của electron.
“Chúng tôi đã theo hướng đi này hơn 3 thập kỷ và đó là một thành tựu
lớn mở ra nhiều cơ hội”, nhà hóa học tại Đại học Washington Dewey
Holten.
Trong
một bài báo gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra cách họ phát hiện
một phiên bản sửa đổi của tổ hợp protein mà có thể chuyển đổi sử
dụng giữa 3 đường dẫn, kích hoạt đường dẫn bị vô hiệu hóa trong khi
vô hiệu hóa đường dẫn kia.
“Điều đáng chú ý là chúng tôi đã cố gắng chuyển hướng việc truyền
electron ban đầu. Trong tự nhiên, electron chọn một đường đi 100% số lần.
Nhưng thông qua các nỗ lực của mình, chúng tôi có thể chuyển electron
sang một đường đi thay thế 90% số lần. Các phát hiện này đặt ra những
câu hỏi lý thú cho nghiên cứu trong tương lai”, nhà hóa học dẫn đầu
nghiên cứu từ Đại học Washington Christine Kirmaier cho biết thêm.
Kết
quả của những nỗ lực của mình là giờ đây các nhà khoa học đã tiến
gần hơn bao giờ hết với việc thiết kế các hệ thống truyền electron
mà ở đó họ có thể gửi đi một electron theo một đường dẫn được lựa
chọn.
“Điều này thật quan trọng vì chúng ta đang thu được khả năng khai thác
dòng chảy năng lượng này để hiểu về các nguyên lý thiết kế mà sẽ
dẫn tới các ứng dụng mới của những hệ thống vô sinh. Điều này cho
phép chúng ta cải thiện đáng kể hiệu suất của nhiều thiết bị chạy
bằng năng lượng mặt trời, có tiềm năng làm cho chúng nhỏ hơn nhiều. Có
một cơ hội cực lớn ở đây để mở ra những nguyên lý mới của các phản
ứng sinh hóa hoạt động nhờ ánh sáng, những thứ chưa từng thấy trong
tự nhiên. Nếu chúng ta làm được điều đó, nó sẽ có ý nghĩa thật lớn
lao”, Laible chia sẻ.
LH
(Science Daily)