fotosynteesi

Kasvimyytti murtui: turkulaiset huomasivat reaktion todellisen vaikutuksen fotosynteesissä

Ke, 03/30/2016 - 16:25 Toimitus


Turun yliopisto tiedottaa, että sikäläiset tutkijat ovat havainneet miten fotosynteesin tehokkuutta laskeva reaktio onkin kasvin tapa suojella itseään laajemmilta vaurioilta.


Kasvit yhteyttävät valoenergian avulla hiilidioksidista ja vedestä hiilihydraatteja, jotka toimivat elämän rakennuspalikoina ja energialähteenä. Fotosynteesin sivutuotteena syntyy happea, joka samaan aikaan aiheuttaa yhteyttämistä hidastavia sivureaktioita. 

"Fotosyteesi on kehittynyt olosuhteissa, jossa ilmakehän happipitoisuus oli matala ja hiilidioksidipitoisuus korkea", kertoo molekulaarisen kasvibiologian yliopisto-opettaja Mikko Tikkanen Turun yliopistosta. 

"Fotosynteettisten organismien maailmanvalloituksen myötä ilmakehän happipitoisuus on noussut, jolloin sivurektiot ovat muodostuneet ongelmaksi fotosynteesille."

Kasvit ovat kehittäneet suojamekanismeja sivureaktioita vastaan, mutta niistä huolimatta vaurioita ei voi kokonaan välttää. Akatemiaprofessori Eva-Mari Aron johtama tutkimusryhmä kuitenkin huomasi, että vaurioituminen muuttaa valoreaktio I:ksi kutsutun fotosynteesin varhaisen reaktion toimintaa.

Vaurioitunut valoreaktio I alkaa haihduttaa ylimääräistä viritysenergiaa ja lakkaa tuottamasta NADPH-molekyylejä, mikä on sen normaali tehtävä.

"Osoitimme, että tehtävän vaihtaminen on tapa suojata valorektiota laajemmalta vauriolta", jatkaa Tikkanen. 

"Vaurio käynnistää reaktiosarjan, jossa valoenergian suunta kääntyy kohti vaurioituneita keskuksia. Tämä pienentää valoreaktio II:n vaurioitumisen riskiä ja vähentää elektronivirtaa valoreaktio I:tä kohti, mikä pysäyttää vaurion."

Fotosynteesissä valorektio II hapettaa veden elektroneiksi, vetyprotoneiksi ja hapeksi, kun taas valoreaktio I käyttää elektronit korkeaenergisen NADPH-varastomolekyylin tekemiseen. Fotoinhibitioksi kutsuttua vaurioitumista on pidetty kasville haitallisena reaktiona, jota pitää välttää. Sen on ajateltu esimerkiksi pienentävän viljelykasvien tuottavuutta.

"Aikaisemmin on ajateltu, että valoreaktio II ja valoreaktio I toimivat yhteistyössä muuttaessaan valoenergiaa kemialliseen muotoon. Uusi tutkimuksemme osoittaa, että valoreaktiot muodostavat toiminnallisen parin siten, että toisen vaurio suojaa toista laajemmalta vauriolta."

Fotosynteesin valoreaktioiden roolien tunteminen on tärkeää fotosyteesikoneiston evoluution ymmärtämisen kannalta. 

"Kun roolit tunnetaan, fotosynteesiä ei pyritä tehostamaan väärillä keinoilla. Uusi tieto auttaa näkemään keinotekoisen fotosynteesin kehittämisen tiellä olevat ongelmakohdat", toteaaTikkanen.

Tutkimuksesta ja sen löydöistä kerrotaan Natura Plants -julkaisussa ilmestyneessä turkulaisvetoisessa artikkelissa.

Juttu on käytännössä otettu suoraan Turun yliopiston tiedotteesta. Kuva: Flickr / Till Westermayer

Luonto opettaa orgaanisen aurinkokennon kehittäjiä

Ke, 11/19/2014 - 20:51 Toimitus
Kuva: exposolar.org

Kasvit yhteyttävät valoenergian avulla muuttaen auringonvalon uskomattoman tehokkaasti kemialliseksi energiaksi. Keinotekoinen fotosynteesi pyrkii matkimaan tätä ilmiötä. Sen avulla voidaan kehittää tehokkaampia orgaanisia aurinkokennoja, väittää Tampereen teknillisen yliopiston kemian ja biotekniikan laitoksella supramolekulaarisen valokemian tutkimusryhmässä tutkijana toimiva filosofian maisteri Kati Stranius.

Kasvit keräävät valon säteilyenergiaa ja muuttavat sen kemialliseksi energiaksi lehtivihreän avulla. Tämän monivaiheisen prosessin yksityiskohtainen tunteminen on tärkeää valoaktiivisten molekulaaristen sovellusten, kuten esimerkiksi orgaanisten aurinkokennojen, kehityksessä. Keinotekoinen fotosynteesi pyrkii matkimaan tätä ilmiötä synteettisten luovuttaja-vastaanottaja molekyylirakenteiden avulla.

Väitöskirjassaan Kati Stranius perehtyi luonnon fotosynteesin ja keinotekoisen fotosynteesin mekanismeihin. Hän tutki valoaktiivisiin supramolekulaarisiin sovelluksiin, esimerkiksi orgaanisiin aurinkokennoihin tarkoitettujen itsejärjestäytyvien luovuttaja-vastaanottaja -rakenteiden valokemiaa. Valokemia tutkii valosäteilyn aikaansaamia kemiallisia reaktioita, kuten energian ja elektronien siirtoreaktioita molekyylirakenteissa.

"Nämä erittäin nopeat reaktiot tapahtuvat tyypillisesti femto-ja pikosekunneissa ja niitä voidaan tutkia aikaerotteisen optisen spektroskopian avulla. Varsinaisissa sovelluksissa, kuten orgaanisissa aurinkokennoissa, nämä luovuttaja-vastaanottaja rakenteet tulisi pystyä kiinnittämään puolijohteen pintaan siten, että ne säilyttävät valokemialliset ominaisuutensa ja mahdollistavat varauksen erottumisen orgaaninen-puolijohde rajapinnalla", Stranius kertoo.

Väitöstyön keskeisimmät löydökset auttavat tutkijoita valmistamaan uusia orgaanisia molekyylirakenteita, jotka pystyvät toimimaan tehokkaasti valoenergian kerääjinä ja varauksen tuottajina. Lisäksi tulokset toivat arvokasta tietoa uudenlaisten väriherkistettyjen aurinkokennojen kehittämiseksi. Väriherkistetyssä aurinkokennossa titaanidioksidi nanopartikkelit päällystetään valoa absorboivalla väriaineella ja upotetaan elektrolyyttiliuokseen.

"Tällä tavalla valmistetut kennot ovat halvempia ja helpompia valmistaa kuin perinteiset piipohjaiset aurinkokennot", Stranius toteaa. "Luovuttaja-vastaanottaja rakenteiden käyttö näissä kennoissa johtaa monivaiheisiin valokemiallisiin reaktioihin, kuten luonnon fotosynteesissäkin. Monivaiheisten reaktioiden johdosta varauksen palautuminen hidastuu ja aurinkokennon tehokkuus voi parantua".

Filosofian maisteri Kati Straniuksen kemian alaan kuuluva väitöskirja Photochemistry of Self-Assembled Donor-Acceptor Architectures for Photoactive Supramolecular Devices ("Valoaktiivisiin supramolekulaarisiin sovelluksiin tarkoitettujen itsejärjestäytyvien luovuttaja-vastaanottaja rakenteiden valokemiaa") tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) luonnontieteiden tiedekunnassa keskiviikkona 26.11.2014 kello 12 alkaen Konetalon salissa K1702 (Korkeakoulunkatu 6, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Beate Röder (Humboldt-Universität zu Berlin, Saksa). Tilaisuutta valvoo professori Nikolai Tkachenko TTY:n kemian ja biotekniikan laitokselta.

Väitöskirja on osoitteessa: http://URN.fi/URN:ISBN:978-952-15-3424-9

Teksti perustuu käytännössä suoraan TTY:n tiedotteeseen.