Ánh sáng mặt trời và lá cây (Ảnh: © Elena Volkova/Adobe Stock )

Chẳng có gì ngạc nhiên rằng các nhà khoa học từ lâu vẫn luôn tìm cách để tìm hiểu em chúng làm điều đó chính xác bằng cách nào với hy vọng sử dụng kiến thức này để cải thiện các thiết bị nhân tạo như cảm biến và pin mặt trời.

Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ năng lượng Hoa Kỳ đang làm việc với các cộng tác viên tại Đại học Washington ở St. Louis gần đây đã giải mã được một phần rất quan trọng của bí ẩn lâu đời này, tậm trung vào các sự kiện cực nhanh ban đầu mà qua đó các protein quang hợp thu ánh sáng và sử dụng ánh sáng để khơi mào cho một loạt các phản ứng truyền electron.

“Để hiểu cách sinh học cấp nhiên liệu cho tất cả các hoạt động sâu bên trong của nó, bạn phải hiểu về truyền electron. Chuyển động của các electron là tối quan trọng: đó là cách công việc được thực hiện bên trong một tế bào”, nhà lý sinh học tại Phòng thí nghiệm Argonne Philip Laible giải thích.

Trong các sinh vật quang hợp, các quá trình này bắt đầu với việc hấp thu một photon ánh sáng bằng các chất sắc tố nằm trong protein. Mỗi photon sẽ đẩy một electron đi qua một màng nằm bên trong các buồng chuyên môn hóa ở bên trong tế bào.

“Phân tách điện tích qua màng và ổn định nó là tối quan trọng vì nó sẽ tạo năng lượng cung cấp cho sự sinh trưởng của thử nghiệm”, nhà sinh hóa học tại Phòng thí nghiệm Argonne Deborah Hanson cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã thu được kiến thức giá trị về các bước ban đầu của quá trình này: hành trình của electron.

Cách đây gần 30 năm khi cấu trúc đầu tiên của các dạng phức hợp này được hé lộ, các nhà khoa học đã ngạc nhiên khi khám phá ra rằng sau khi hấp thu ánh sáng, quá trình truyền electron đối mặt với một tình huống tiến thoái lưỡng nan: có 2 đường dẫn mà electron có thể đi qua.

Trong tự nhiên, thực vật, tảo và vi khuẩn quang hợp chỉ sử dụng một đường dẫn và các nhà khoa học lúc đó không biết vì sao. Điều mà họ biết là việc đẩy electron đi qua màng – khai thác hiệu quả năng lượng của photon – đòi hỏi nhiều bước. Các nhà nghiên cứu nay đã cố gắng can thiệp vào mỗi bước đó để thay đổi đường đi của electron.

“Chúng tôi đã theo hướng đi này hơn 3 thập kỷ và đó là một thành tựu lớn mở ra nhiều cơ hội”, nhà hóa học tại Đại học Washington Dewey Holten.

Trong một bài báo gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra cách họ phát hiện một phiên bản sửa đổi của tổ hợp protein mà có thể chuyển đổi sử dụng giữa 3 đường dẫn, kích hoạt đường dẫn bị vô hiệu hóa trong khi vô hiệu hóa đường dẫn kia.

“Điều đáng chú ý là chúng tôi đã cố gắng chuyển hướng việc truyền electron ban đầu. Trong tự nhiên, electron chọn một đường đi 100% số lần. Nhưng thông qua các nỗ lực của mình, chúng tôi có thể chuyển electron sang một đường đi thay thế 90% số lần. Các phát hiện này đặt ra những câu hỏi lý thú cho nghiên cứu trong tương lai”, nhà hóa học dẫn đầu nghiên cứu từ Đại học Washington Christine Kirmaier cho biết thêm.

Kết quả của những nỗ lực của mình là giờ đây các nhà khoa học đã tiến gần hơn bao giờ hết với việc thiết kế các hệ thống truyền electron mà ở đó họ có thể gửi đi một electron theo một đường dẫn được lựa chọn.

“Điều này thật quan trọng vì chúng ta đang thu được khả năng khai thác dòng chảy năng lượng này để hiểu về các nguyên lý thiết kế mà sẽ dẫn tới các ứng dụng mới của những hệ thống vô sinh. Điều này cho phép chúng ta cải thiện đáng kể hiệu suất của nhiều thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời, có tiềm năng làm cho chúng nhỏ hơn nhiều. Có một cơ hội cực lớn ở đây để mở ra những nguyên lý mới của các phản ứng sinh hóa hoạt động nhờ ánh sáng, những thứ chưa từng thấy trong tự nhiên. Nếu chúng ta làm được điều đó, nó sẽ có ý nghĩa thật lớn lao”, Laible chia sẻ.

LH - Dostdongnai, theo Science Daily.