DGIST объявил, что исследовательская группа Хонг-Гила Нама и исследовательская группа профессора Ричарда Н. Зере из Стэнфордского университета обнаружили в своих совместных исследованиях, что деметаллирование хлорофилла естественным образом ускоряется в тысячу раз быстрее в микрокаплях без любая помощь ферментов.
Хлорофилл - это молекула зеленого пигмента, обнаруженная в фотосинтезирующих организмах и играющая ключевую роль на первом этапе фотосинтеза, который поглощает свет и преобразует его в химическую энергию.
В последние годы несколько исследовательских групп сообщили о явлении ускоренных реакций хлорофилла в микрокаплях. В основном в качестве основных причин ускорения указывалось испарение растворителя или низкое напряжение. Однако в этом исследовании были проведены эксперименты для проверки различных гипотез без принятия существующих утверждений, и было обнаружено, что эффект ограничения физического пространства микрокапель 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, при которой ионы магния в центре хлорофилла замещаются 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 проходит в тысячу раз быстрее в микрокаплях, применяя метод измерения скорости реакции биохимических веществ в микрокаплях, который был разработан в 2015 году. Это предполагает возможность нового механизма контроль фотосинтеза путем повторного открытия важности реакции хлорофилла.
В живых организмах в физически замкнутых пространствах протекают разнообразные биохимические реакции. Фотосинтез также происходит в органеллах, хлоропластах растений, а более мелкие структуры, называемые «гранами», в хлоропластах поглощают свет. Команда наблюдала за кинетикой биохимических реакций, создавая микрокапли, чтобы посмотреть на реакцию хлорофилла в среде, аналогичной реальному физическому пространству растения.
Исследовательская группа столкнула капли воды, содержащие хлорофилл, с каплями воды, содержащими соляную кислоту, на высокой скорости, чтобы образовались сплавленные капли микроразмера. Затем они зафиксировали кинетику деметаллирования хлорофилла под действием кислоты, контролируя расстояние, на которое слились микрокапли.
В результате было установлено, что деметаллизация 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-Гиль Нам сказал: «Когда хлорофилл окисляется, он теряет свою функцию фотосинтеза. Однако реакция деметаллирования может защитить хлорофилл, поскольку она предотвращает окисление хлорофилла». Он добавил: «Это исследование предполагает, что реакция деметаллирования хлорофилла может быть новым механизмом, который может защищать фотосинтезирующие организмы или контролировать эффективность фотосинтеза, и что реакция может быть достаточно быстрой без какого-либо ферментативного действия, в отличие от традиционного мышления."
Команда ожидает, что открытие нового механизма фотосинтеза позволит лучше понять работу фотосинтеза и будет способствовать дальнейшим исследованиям по поиску элементов и методов для более эффективного фотосинтеза.