Quang hợp an toàn: siphonein giúp tảo biển chống lại tác động của ánh sáng quá mức

Cấu trúc của hệ thu ánh sáng (Cf-LHCII) trong loài Codium fragile

Tại vị trí L1, sắc tố siphonein (màu cam) liên kết gần cụm phân tử chlorophyll (Chl a610–a612, màu xanh lục), giúp làm suy giảm năng lượng một cách hiệu quả.

Ánh nắng quá mức có thể phá hỏng một ngày ở bãi biển - và cũng có thể gây tổn hại đến quá trình quang hợp, thiêu đốt thực vật và các sinh vật phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời để tạo năng lượng. Tuy nhiên, dưới làn nước biển, tảo biển đã phát triển một cơ chế bảo vệ thông minh. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Thành phố Osaka và cộng sự đã phát hiện rằng một sắc tố có tên là siphonein giúp tảo lục biển duy trì hoạt động quang hợp một cách hiệu quả mà không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi ánh sáng mạnh.

Các sinh vật quang hợp dựa vào các phức hợp thu ánh sáng (LHCs) tinh vi để hấp thụ ánh sáng mặt trời nhằm tạo ra năng lượng. Trong quá trình quang hợp, chlorophyll hấp thụ ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích đơn (singlet state). Dưới điều kiện ánh sáng bình thường, năng lượng này được truyền hiệu quả đến trung tâm phản ứng quang hợp để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, khi ánh sáng quá mạnh, các phân tử chlorophyll có thể bị đẩy vào trạng thái “triplet” nguy hiểm, vốn là nguồn tạo ra các loại oxy phản ứng (reactive oxygen species) có khả năng gây tổn thương oxy hóa.

Các sinh vật sử dụng carotenoid để nhanh chóng tiêu tán năng lượng dư thừa, hay làm suy giảm trạng thái triplet nguy hiểm, thông qua một quá trình gọi là chuyển năng lượng triplet-triplet (TTET), theo lời của Ritsuko Fujii, tác giả chính và phó giáo sư tại Trường Sau đại học Khoa học và Trung tâm Nghiên cứu Quang hợp Nhân tạo thuộc Đại học Thành phố Osaka.

Tuy nhiên, cho đến nay, các nguyên tắc chi phối cơ chế bảo vệ quang học này vẫn chưa được hiểu rõ.

Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm lời giải trong loài Codium fragile, một loại tảo lục biển. Tương tự như thực vật trên cạn, loài này sở hữu hệ thu ánh sáng gọi là LHCII, nhưng có điểm đặc biệt: nó chứa các carotenoid bất thường như siphonein và siphonaxanthin, cho phép tảo sử dụng ánh sáng xanh lục để quang hợp.

“Yếu tố then chốt của cơ chế làm suy giảm năng lượng nằm ở tốc độ và hiệu quả trong việc vô hiệu hóa các trạng thái triplet”, theo lời Alessandro Agostini, nhà nghiên cứu tại Đại học Padua (Ý) và đồng tác giả của nghiên cứu.

Sử dụng kỹ thuật cộng hưởng từ điện tử tiên tiến (EPR), vốn có khả năng phát hiện trực tiếp trạng thái kích thích triplet, nhóm nghiên cứu đã so sánh cây rau bina với Codium fragile. Ở rau bina, các tín hiệu yếu của trạng thái triplet của chlorophyll vẫn có thể phát hiện được. Ngược lại, ở Codium fragile, các trạng thái có hại này biến mất hoàn toàn - bằng chứng rõ ràng cho thấy carotenoid trong hệ tảo đã làm suy giảm chúng triệt để.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cấu trúc hệ thu ánh sáng của tảo lục biển có chức năng bảo vệ quang học vượt trội”, Agostini chia sẻ.

Kết hợp giữa EPR và mô phỏng hóa học lượng tử, nhóm nghiên cứu đã xác định siphonein - nằm tại một vị trí liên kết quan trọng trong LHCII - là yếu tố chính tạo nên hiệu ứng bảo vệ đặc biệt này. Công trình cũng làm sáng tỏ các nguyên lý điện tử và cấu trúc nền tảng cho TTET hiệu quả, cho thấy cấu trúc điện tử đặc biệt của siphonein và vị trí của nó trong phức hợp LHCII giúp tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng dư thừa.

Những phát hiện này chứng minh rằng tảo biển đã tiến hóa để sở hữu các sắc tố độc đáo, không chỉ để hấp thụ ánh sáng xanh-lam dưới nước mà còn để tăng cường khả năng chống chịu với ánh sáng mặt trời quá mức.

Vượt ra ngoài việc nâng cao hiểu biết về quang hợp, kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời lấy cảm hứng từ sinh học, với cơ chế bảo vệ tích hợp sẵn - giúp hệ thống năng lượng tái tạo trở nên bền vững và hiệu quả hơn.

“Chúng tôi hy vọng sẽ tiếp tục làm rõ các đặc điểm cấu trúc của carotenoid giúp tăng hiệu quả làm suy giảm năng lượng, từ đó hướng tới thiết kế phân tử các sắc tố tối ưu hóa hệ thu ánh sáng quang hợp”, Fujii cho biết.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science.

Bùi Anh Xuân theo Đại học Osaka.