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혁신적인 광합성 해킹으로 재생 에너지 혁신의 길을 열다

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혁신적인 광합성 해킹으로 재생 에너지 혁신의 길을 열다

획기적인 개발에서 연구자들은 광합성의 초기 단계를 성공적으로 “해킹”했습니다. 이는 지구상의 대부분의 생명체에 연료를 공급하는 자연 과정입니다. 이 과정에서 에너지를 추출하는 새로운 기술을 공개함으로써 이 발견은 미래의 청정 연료 생성 및 재생 가능 에너지 솔루션을 위한 길을 열 수 있습니다. 크레딧: 로빈 호튼

연구원들은 초기 단계를 “해킹”했습니다.[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.

“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang

An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.

Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.


광합성은 널리 알려지고 광범위하게 연구되는 과정이지만 케임브리지 대학 연구원들은 여전히 ​​숨겨진 비밀을 가지고 있음을 발견했습니다. 그들은 초고속 분광법 기술을 사용하여 광합성을 담당하는 분자 구조에서 전자 추출이 이전에 가정했던 것보다 초기 단계에서 발생한다는 것을 발견했습니다. 광합성의 이러한 “재배선”은 잉여 에너지의 더 나은 관리와 그 잠재력을 활용하는 새롭고 더 효율적인 방법의 개발로 이어질 수 있습니다. 크레딧: Mary Ayers

“우리는 생각보다 광합성에 대해 많이 알지 못했고 여기서 발견한 새로운 전자 이동 경로는 상당히 놀랍습니다.”

광합성은 자연적인 과정이지만 과학자들은 예를 들어 햇빛과 물에서 깨끗한 연료를 생성하는 광합성 과정을 시뮬레이션하여 기후 위기를 해결하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 연구해 왔습니다.

Zhang과 그녀의 동료들은 원래 퀴논(quinone)이라고 불리는 고리 모양의 분자가 광합성에서 전자를 “훔칠” 수 있는 이유를 이해하려고 노력했습니다. 알케논은 본질적으로 흔하며 전자를 쉽게 받아들이고 포기할 수 있습니다. 연구원들은 퀴논이 광합성 시아노박테리아에서 어떻게 행동하는지 연구하기 위해 초고속 과도 흡수 분광법이라는 기술을 사용했습니다.

광합성 해킹은 재생 가능 에너지를 생성하는 새로운 방법으로 이어질 수 있습니다.

국제 과학자 팀은 100만분의 1초라는 초고속 시간 척도에서 살아있는 세포의 광합성 과정을 연구했습니다. 광범위한 연구에도 불구하고 광합성은 여전히 ​​밝혀지지 않은 비밀을 가지고 있습니다. 연구팀은 초고속 분광법 기술을 사용하여 화학 물질이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 초기 단계에서 광합성에 관여하는 분자 구조에서 전자를 추출한다는 사실을 발견했습니다. 이 “재배선”은 프로세스의 초과 전력 처리를 향상하고 전력을 활용하는 새롭고 효율적인 방법을 생성할 수 있습니다. 신용: 토미 피크

“아무도 광합성의 초기 단계에서 이 분자가 광합성 메커니즘과 어떻게 상호 작용하는지 제대로 연구하지 않았습니다. 우리는 우리가 이미 알고 있는 것을 확인하기 위해 새로운 기술을 사용하고 있다고 생각했습니다.”라고 Zhang은 말했습니다. “대신 우리는 완전히 새로운 경로를 발견했고, 광합성의 블랙박스를 조금 열었습니다.”

전자를 모니터링하기 위해 초고속 분광법을 사용하여 연구자들은 광합성의 초기 화학 반응이 발생하는 단백질 스캐폴드가 “누출”되어 전자가 빠져나갈 수 있음을 발견했습니다. 이 누출은 식물이 밝거나 빠르게 변화하는 빛으로 인한 손상으로부터 스스로를 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“광합성의 물리학은 믿을 수 없을 정도로 인상적입니다. “일반적으로 우리는 고차원 물질로 작업하지만 세포를 통한 전하 수송을 관찰하면 자연이 어떻게 작용하는지에 대한 새로운 발견을 위한 놀라운 기회를 열어줍니다.”

현재 핀란드 투르쿠 대학에 기반을 둔 생화학과에서 작업을 수행한 공동 제1 저자인 Laura Way 박사는 말했습니다. “이 경로가 존재한다는 사실을 몰랐다는 사실은 신나는 일입니다. 재생 에너지에서 더 많은 에너지를 추출하기 위해 이를 활용할 수 있기 때문입니다.”

연구원들은 광합성 과정 초기에 화물을 추출할 수 있기 때문에 태양으로부터 깨끗한 연료를 생성하기 위해 광합성 경로를 조작할 때 과정을 보다 효율적으로 만들 수 있다고 말합니다. 또한 광합성을 조절하는 능력은 작물이 강렬한 햇빛을 더 잘 견딜 수 있음을 의미할 수 있습니다.

“많은 과학자들이 광합성의 초기 지점에서 전자를 추출하려고 시도했지만 에너지가 단백질 발판에 묻혀 있기 때문에 불가능하다고 말했습니다.”라고 Zhang은 말했습니다. “이전 작업에서 훔칠 수 있었다는 사실이 놀랍습니다. 처음에 우리는 실수를 저질렀다고 생각했습니다. 우리가 했다고 확신하는 데 시간이 좀 걸렸습니다.”

이 발견의 핵심은 초고속 분광법을 사용하여 연구원들이 살아있는 광합성 세포의 에너지 흐름을 펨토초 규모(1조분의 1초)로 추적할 수 있게 한 것입니다.

공동 저자인 생화학과의 크리스토퍼 하우(Christopher Howe) 교수는 “이러한 초고속 방법을 사용함으로써 지구 생명체가 의존하는 광합성의 초기 사건에 대해 더 많이 이해할 수 있게 됐다”고 말했다.

참조: Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay의 “피코초 시간 척도로 재연결된 광합성” Rao와 Jenny Zhang, 2023년 3월 22일, 여기에서 볼 수 있습니다. 자연.
DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

이 연구는 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC), 생명 공학 및 생물 과학 연구 위원회(BBSRC)의 일부 지원을 받았으며 영국 연구 및 혁신(UKRI)의 일부이자 지속 가능성 물리학을 위한 윈튼 프로그램의 일부입니다. 대학교. 케임브리지, 케임브리지 커먼웰스, 유럽 및 국제 기금, EU Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램 Jenny Zhang은 케임브리지 코퍼스 크리스티 칼리지 화학과의 데이비드 필립스 펠로우이자 케임브리지 코퍼스 크리스티 칼리지의 펠로우입니다. Tomi Baikie는 Cavendish 연구소의 NanoFutures 펠로우입니다. Laura Way는 투르쿠 대학교 Novo Nordisk Foundation의 박사후 연구원입니다.

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