Бактерии учат людей использовать солнечный свет

хлоросомы бактериального хлорофилла

Хлоросома бактериального хлорофилла

Ученые из университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) открыли структуру светочувствительных молекул зеленых бактерий, помогающую им очень эффективно перерабатывать солнечный свет в необходимую для жизни химическую энергию. Открытие может стать основой для создания солнечных батарей нового поколения.

Растения используют солнечный свет при фотосинтезе. Зеленые бактерии, ставшие предметом исследования ученых, используют его для переработки соединений серы или железа. Живут они в водах гидротермальных источников или в морях на глубине более 100 метров.

Молекулы бактериального хлорофилла (бактериохлорофилла) придают организмам зеленый цвет и похожи на светочувствительные молекулы растений. Для эффективного использования небольших количеств солнечного света они объединяются в молекулярные комплексы — так называемые хлоросомы.

Из-за необычайного разнообразия структура этих хлоросом оставалась последней неизученной структурой светочувствительных комплексов молекул, встречающихся в природе. Разные типы хлоросом содержат разное количеств молекул бактериального хлорофилла (которое может достигать 250 тысяч), имеют различную форму и структуру упаковки молекул. Такое разнообразие молекулярных комплексов, встречающееся в одном и том же организме, невозможно изучить обычными рентгеноструктурными методами.

Ученые решили эту проблему, используя комбинацию генетических и структурных методов исследования, а также математическое моделирование для изучения структуры одного единственного типа бактериальных хлоросом.

«С помощью генетических методов мы создали клон зеленых бактерий, активность некоторых генов в котором была отключена, и он содержал только один тип хлоросом. Этот лабораторный клон при облучении рос намного медленнее своих диких аналогов, что натолкнуло нас на мысль о том, что сложность устройства хлоросом — ключевой фактор их эффективности в переработке света бактериями», — сказал руководивший работами профессор Дональд Брайант (Donald Bryant).

С помощью электронной микроскопии в условиях сверхнизких температур ученые обнаружили, что хлоросомы бактерий имеют трубчатую форму. При этом клоны имели только один тип трубок, а природные зеленые бактерии имели целые наборы, организованные в упорядоченные структуры.

Набор хлоросом различного размера с различным количеством хлорофиллов, объединенных в пары и закрученных под разными углами в винтовые спирали, определяет способность организмов чрезвычайно эффективно использовать солнечный свет. Он позволят быстро доставить полученный свет в любую точку клетки, нуждающуюся в энергии. У зеленых бактерий каждый новый фотон света перераспределяется между небольшим набором хлоросом, расположенных в организме хаотично, поэтому его энергия используется очень быстро и эффективно.

«Математическое моделирование показало, что если бы все хлоросомы были одинаковы и упорядочены, доставка энергии света к определенному месту в клетке неизбежно требовала бы включения этот процесс всей системы молекул хлорофилла в организме. Этот процесс требовал бы относительно большое количество времени. В сравнении с несколькими наносекундами освещения, выпадающего этому типу организмов всего несколько раз в день, это время может быть слишком большим. Мы могли бы использовать этот принцип в солнечных батареях будущего. В создании искусственных систем, подобных хлоросомам, нет ничего сложного «, — добавил Брайант.

Для справки

Университет штата Пенсильвания (Pennsylvania State University) — исследовательский университет США, расположенный в Стейт-Колледже, штат Пенсильвания.

Входит в число 15 лучших общественных университетов США и является членом Public Ivy. Ежегодно в университет поступают более 44000 студентов, что делает его одним из крупнейших университетов США.

В 2010 году в Академическом рейтинге университетов мира Университет штата Пенсильвания занял 43 место. U.S. News & World Report поместил образовательную программу Университета на 47 место среди лучших американских колледжей. В 2010 Penn State оценен на 98 месте среди лучших вузов мира по версии QS World University Rankings.

В рейтинге востребованности выпускников на рынке трудоустройства Wall Street Journal в сентябре 2010 года Penn State занял 1 место из 479.

Девиз университета — «Сделаем жизнь лучше» (англ. «Making Life Better»).

РИА Новости

Получать все новости по электронной почте