Хлорофилл — это молекула зеленого пигмента, содержащаяся в фотосинтезирующих организмах, и играет ключевую роль на первом этапе фотосинтеза, который поглощает свет и преобразует его в химическую энергию.В последние годы несколько исследовательских групп сообщили о феномене ускоренных реакций хлорофилла в микрокаплях. В основном, основными причинами ускорения считались испарение растворителя или низкое напряжение. Однако в этом исследовании были проведены эксперименты для проверки различных гипотез, не принимая существующие утверждения, и было обнаружено, что эффект ограничения физического пространства микрокапельками является причиной ускоренной реакции.
Команда обратила внимание на химическую реакцию хлорофилла, чтобы раскрыть секрет управления поглощением и передачей солнечной энергии. В кислой среде происходит реакция деметаллирования хлорофилла, в которой ионы магния в центре хлорофилла заменяются ионами водорода. До сих пор важность этой реакции в фотосинтезе игнорировалась, поскольку скорость реакции деметаллирования в объемном растворе была очень низкой по сравнению со скоростью поглощения и передачи солнечной энергии во многих экспериментах.
Исследовательская группа обнаружила, что реакция деметаллирования хлорофилла в микрокаплях ускоряется в тысячу раз благодаря применению метода измерения скорости реакции биохимических веществ в микрокаплях, который был разработан в 2015 году. Это предполагает возможность нового механизма контроля фотосинтеза путем повторного открытия важность реакции хлорофилла.
В живых организмах в физически замкнутых пространствах протекают самые разные биохимические реакции. Фотосинтез также происходит в органеллах, хлоропластах растений, а более мелкие структуры, называемые «грана» в хлоропластах, поглощают свет. Команда наблюдала кинетику биохимических реакций, создавая микрокапли, чтобы посмотреть на реакцию хлорофилла в аналогичной среде с реальным физическим пространством растения.
Исследовательская группа столкнулась с каплями воды, содержащими хлорофилл, с каплями воды, содержащими соляную кислоту, на высокой скорости, в результате чего образовались слитые капельки микронного размера. Затем они записали кинетику вызванной кислотой деметаллизации хлорофилла, контролируя расстояние перемещения слитых микрокапель.В результате было обнаружено, что деметаллирование хлорофилла происходит за время в несколько десятков микросекунд, что примерно в тысячу раз быстрее, чем измеренное в объемном растворе.
Предполагается, что этот результат связан с ограничением физического пространства микрокапель, а также с поверхностным эффектом самих капель.Хонг-Гил Нам сказал: «Когда хлорофилл окисляется, он теряет свою функцию фотосинтеза. Однако реакция деметаллирования может защитить хлорофилл, поскольку предотвращает окисление хлорофилла».
Он добавил: «Это исследование предполагает, что реакция деметаллирования хлорофилла может быть новым механизмом, который может защитить фотосинтезирующие организмы или контролировать эффективность фотосинтеза, и что реакция может быть достаточно быстрой без какого-либо ферментативного воздействия, в отличие от традиционного мышления».Команда ожидает, что открытие нового механизма фотосинтеза принесет лучшее понимание работы фотосинтеза и внесет вклад в дальнейшие исследования по поиску элементов и методов для более эффективного фотосинтеза.