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.•