Meglátni a természet titkait
A közel 300 millió forinttal támogatott programjukban multifunkcionális femtobiológiai munkaállomás kifejlesztésére és fényindukált biológiai folyamatok vizsgálatára vállalkoztak néhány ciklusú spektroszkópiai módszerekkel. Miről szól a kutatásuk?
– Munkacsoportunk a fotoszintézis elsődleges folyamatait tanulmányozza. A földi életet a fotoszintézis (kémiai formává alakított napenergia) tartja fenn: a fotoszintetikus szervezetek a napenergiát hasznosítják a szén-dioxid szerves anyaggá alakítására, ami pedig a heterotrófok táplálékforrása – az egysejtű mikroorganizmusoktól az emberekig. 2050-re a világ népessége várhatóan eléri a 9,8 milliárdot; ez, a növekvő jövedelem és a táplálkozási szokások változása mellett, több mint 50 százalékkal megnöveli a globális élelmiszer-keresletet, miközben a mezőgazdasági termőterület nagysága nem, vagy alig bővíthető. Az élelmiszer-termelés növelése a földhasználat bővítése nélkül azt jelenti, hogy meg kell találnunk a terméshozamok vagy a fotoszintetikus energiahatékonyság emelésének módjait. Ismert emellett, hogy egyetlen nap alatt a bolygó felületére érkező napenergia mennyisége meghaladja az éves szükségletünket, és a fotoszintetikus organizmusok – a mintegy hárommilliárd éves evolúciójuknak köszönhetően – ennek hasznosítására a legváltozatosabb környezeti feltételek mellett kész megoldásokat kínálnak.
Mindkét végső cél – a természetes fotoszintézis hatékonyságának növelése és napenergia-konvertáló eszközök fejlesztése – a fotoszintetikus reakciók mély és részletes megértését igényli. Ennek érdekében molekuláris és atomi szintre kell hatolnunk – a klasszikus fizika és a kvantummechanika világa közötti rejtélyes határrégióban kell keresnünk a megoldást. A jelenségek kísérleti feltárása és ezek elméletének kidolgozása – a szerkezetek rendkívüli komplexitása miatt – hihetetlenül nagy kihívást jelent.
Fotoszintetikus energiaátadás mérése kétdimenziós elektronspektroszkópiával
1. Fénybegyűjtés a fotoszintézisben. Az elnyelt foton energiája (E = hν) a pigmentmolekulák hálózatán keresztül átadódik a reakciócentrumnak. Ezek a folyamatok, amelyek femtoszekundumoktól pikoszekundumokig tartó időskálán játszódnak le, meghatározzák a fotokémiai energiaátalakítás teljes hatékonyságát.
2. A kétdimenziós elektronspektroszkópia a rendszer három ultrarövid interakciós impulzusra adott harmadrendű nemlineáris válaszát méri. Az első két pumpaimpulzus gerjesztett elektronállapotokat hoz létre. A pumpafrekvencia, amely az impulzusok közötti τ idő Fourier-transzformációja, megfelel az ezen állapotok energiájának. Egy változó T várakozási idő után egy próbaimpulzus „megfigyeli” a rendszert. A fotonvisszhangjel frekvenciája megfelel a végső gerjesztett állapot energiájának.
3. A spektrálisan széles lézerimpulzusok különböző energiaállapotokat hoznak létre, amelyek különböző gerjesztett pigmentmolekuláknak felelnek meg (a, b, c). A T várakozási idő alatt a rendszer az egyik energiaállapotból egy másikba térhet át. A 2D spektrum egy térkép, amely a pumpa- és a próbafrekvenciákat korrelálja. Az átlón kívüli csúcsok a rendszer T várakozási idő alatti energiaszintek (illetve pigmentmolekulák) közötti átmeneteit ábrázolják.Melyek a fotoszintézis elsődleges folyamatai?
– Vegyük például a fotoszintézis első lépéseit – attól a pillanattól kezdve, hogy egy fénykvantum (foton) elnyelődik egy fotoszintetikusan aktív molekulában, jellemzően klorofillban, a növények zöld pigmentjében. A fotonenergia elnyelésének folyamata – a klorofillmolekulák elektronjainak magasabb energiaállapotba való gerjesztése – femtoszekundumok (10–15 másodperc) alatt történik. A gerjesztési energia (szub)pikoszekundumok (10–12 másodperc) alatt, több száz klorofillmolekula bonyolult hálózatán keresztül terjed, majd átadódik a fotokémiai reakciócentrumoknak, ahol primer töltésszétválasztás révén megkezdődik az energia kémiai energiává alakításának soklépcsős folyamata – ennek eredményeként ezek a parányi egységek előállítják a szén-dioxid cukrokká alakításához szükséges redukálóerőt és energiát hordozó molekulákat, miközben az elektronok vízből való kivonásával molekuláris oxigént termelnek.
Fél évszázaddal ezelőtt olyan tudósok, mint Bay Zoltán és Szent-Györgyi Albert úgy gondolták, hogy ezekben a rendszerekben az elektronmozgások különböző kvantumhatásokat mutatnak: a gerjesztett elektronok egyidejűleg különböző molekulákban vannak jelen, dinamikus kvantumkoherenciát hozva létre. Ezeknek az ultragyors folyamatoknak a valós idejű megfigyelése azonban csak az utóbbi egy-két évtizedben lett lehetséges – olyan ultrarövid impulzusú lézertechnológiák megjelenésével és gyors fejlődésével, mint a csörpölt impulzuserősítés, amelyért Gérard Mourou és Donna Strickland megosztva nyerték el a 2018-as fizikai Nobel-díjat.
A növényi 2. fénybegyűjtő antennakomplex kétdimenziós elektronspektroszkópiája
Bal ábra – A spenótból kivont 2. fénybegyűjtő antennakomplex monomer alegységének (PDB ID 2BHW) röntgendiffrakciós kristályszerkezete, melyen megfigyelhetők az apofehérje (fehér) és a pigment kofaktorok (klorofill a/b – zöld/kékeszöld, karotinoidok – sárga). Jobb ábra – 77 K-en mért 2D elektronspektrum, melyből megfigyelhető, hogy a magas energiájú klorofillok (pumpa hullámhossza λ τ = 660–670 nm) majdnem teljes gerjesztési energiája átadódik az alacsony energiájú klorofilloknak (próba hullámhossza λt = 678 nm) a T = 2 ps várakozási idő alatt.Miről szól a kollaborációs projektjük?
– Felismerve azokat az egyedülálló lehetőségeket, amelyeket az ELI-ALPS nyújt az ultragyors fotobiológiai folyamatok tanulmányozásához, csoportunk együttműködést alakított ki a lézerközponttal. Ennek keretében elsősorban más módszerekkel nem hozzáférhető tudományos kérdések megválaszolását tűztük ki célul. A Nemzeti Kiválósági Program (NKFIH-NKP) támogatását elnyerve az SZBK Biofizikai Intézet Femtobiológiai kutatócsoportjával és a Pécsi Tudományegyetemmel (PTE) közösen femtobiológiai munkaállomásokat hozunk létre a többdimenziós optikai spektroszkópia (MDOS) és a terahertz (THz) spektroszkópia felhasználásával. Az MDOS kifejlesztésének döntő hányadát az SZBK vállalta, míg a THz spektroszkópiai mérések a PTE munkatársai és az SZBK Femtobiológiai Kutatócsoportja által kifejlesztett berendezéseken valósulhatnak majd meg. Az MDOS jelenleg a leghatékonyabb technológiacsalád a kvantumkoherencia és az energiaátadás megfigyelésére 100 femtoszekundumos időtartomány alatt. A hagyományos ultragyors optikai spektroszkópiai módszereknél érvényesül a frekvencia–idő transzformációs határ. Ez azt jelenti, hogy ha a lézerimpulzus meghatározott frekvenciával rendelkezik (fotonenergia), akkor szükségszerűen az impulzus ideje nem határozható meg, és fordítva. Az MDOS „kijátssza” ezt a határértéket – olyan spektrálisan széles impulzusokkal generált jelek időtartománybeli rögzítésével, amelyek elvben attoszekundumosak is lehetnek. Az ELI-ALPS-ban előállított THz lézerimpulzusok új kísérleteket is lehetővé tesznek, például a kvantumszabályozást, amelyben a rendszert meghatározott kvantumállapotokba lehet irányítani. Ez egyaránt izgalmas a fotobiológiát kísérletileg kutató és a biológiai kvantumszámításokat végző kutatók számára.
Mivel az ELI-ALPS egy felhasználói létesítmény, a munkaállomások nyitva állnak a teljes tudományos közösség számára – így az általunk építendő femtobiológiai munkaállomások is fogadni tudnak majd felhasználókat, miközben az SZBK és a PTE kutatói maguk is ezeken a berendezéseken végzik kísérleteiket, elsősorban fotoszintetikus és/vagy mesterséges, bioinspirált molekuláris rendszereken. Ugyanakkor az SZBK, a PTE és az ELI-ALPS kiterjedt együttműködési hálózatait szeretnénk kiterjeszteni a fotobiológia és az „attotudományok” kapcsolatának kiépítésével. Ebben a vállalkozásban az első és legfontosabb kulcs a sikerhez: az együttműködés és a csoportmunka.•
