Fotosintesis adalah proses luar biasa yang memungkinkan tanaman dan beberapa bakteri mengubah sinar matahari menjadi energi kimia. Inti dari proses ini adalah penangkapan dan transfer energi yang efisien oleh jaringan protein yang kompleks. Dalam studi terbaru yang dilakukan oleh ahli kimia di MIT, para peneliti menemukan penjelasan potensial untuk transfer energi efisiensi tinggi di kompleks pemanenan cahaya, juga dikenal sebagai antena. Artikel ini menggali temuan penelitian ini, menyoroti pentingnya organisasi protein yang tidak teratur dalam meningkatkan efisiensi transduksi energi.
Perjalanan Energi
Ketika sel fotosintetik menyerap cahaya, energi diubah menjadi elektron, yang menggerakkan produksi molekul gula. Transfer energi melalui kompleks pemanenan cahaya merupakan langkah penting dalam proses ini. Setiap foton cahaya yang diserap menghasilkan elektron, yang menunjukkan efisiensi kuantum yang mendekati kesatuan. Studi MIT bertujuan untuk mengungkap mekanisme di balik efisiensi tinggi ini.
Menyelidiki Transfer Energi
Untuk memahami bagaimana energi bergerak di antara protein pemanen cahaya, para peneliti MIT menggunakan teknik yang disebut spektroskopi ultra cepat. Teknik ini menggunakan pulsa laser pendek untuk mempelajari peristiwa yang terjadi pada rentang waktu yang sangat kecil. Studi sebelumnya berfokus pada mempelajari pergerakan energi dalam protein individu, tetapi mempelajari transfer energi antar protein terbukti lebih menantang.
Membran Sintetis untuk Eksperimen Terkendali
Untuk membuat pengaturan eksperimental yang kondusif untuk mengukur transfer energi antar-protein, para peneliti merancang membran skala nano sintetik yang serupa dengan yang ditemukan pada membran sel alami. Selaput ini, yang dikenal sebagai nanodisc, memungkinkan posisi protein yang terkontrol. Para peneliti menyematkan dua versi protein pemanen cahaya primer yang ditemukan pada bakteri ungu, LH2 dan LH3, ke dalam cakram nano.
Mengukur Jarak Protein
Memanfaatkan mikroskop cryo-elektron di fasilitas MIT.nano, para peneliti mencitrakan protein yang disematkan membran dan memastikan posisinya mirip dengan yang diamati pada membran asli. Selain itu, mereka mengukur jarak antara protein pemanen cahaya, yang berkisar antara 2,5 hingga 3 nanometer.
Peran Susunan Protein
Para peneliti menemukan bahwa protein yang diatur dalam struktur kisi menunjukkan transfer energi yang kurang efisien dibandingkan dengan protein yang diatur secara tidak teratur, seperti yang biasa ditemukan pada sel hidup. Temuan ini menyoroti pentingnya organisasi protein pemanen cahaya yang tidak teratur dalam memaksimalkan efisiensi transduksi energi.
Transfer Lebih Cepat untuk Efisiensi Lebih Besar
Waktu yang dibutuhkan untuk transfer energi antar protein ditemukan bervariasi tergantung pada jarak di antara mereka. Protein yang diposisikan berdekatan memungkinkan transfer lebih cepat, dengan foton membutuhkan waktu sekitar 6 pikodetik untuk bergerak di antara mereka. Sebaliknya, protein yang terpisah lebih jauh membutuhkan hingga 15 pikodetik untuk transfer energi. Transfer energi yang lebih cepat menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi karena lebih sedikit energi yang hilang selama proses.
Implikasi Evolusioner
Pengamatan bahwa susunan protein yang tidak teratur lebih efisien daripada susunan yang teratur menantang anggapan bahwa sistem biologis cenderung tidak teratur hanya sebagai sisi negatif dari evolusi. Temuan ini menunjukkan bahwa organisme mungkin telah berevolusi untuk memanfaatkan peningkatan efisiensi yang difasilitasi oleh pengaturan protein yang tidak teratur.
Arah masa depan
Setelah berhasil mengukur transfer energi antar protein, para peneliti MIT berencana untuk mengeksplorasi transfer energi antara protein lain, seperti transfer dari protein antena ke protein pusat reaksi. Selain itu, mereka bertujuan untuk menyelidiki transfer energi pada organisme yang berbeda, termasuk tumbuhan hijau.
Studi yang dilakukan oleh ahli kimia MIT menyoroti efisiensi pemanenan cahaya fotosintesis dan peran organisasi protein yang tidak teratur dalam transfer energi. Dengan merancang membran sintetik dan mengukur jarak antar-protein, para peneliti menunjukkan bahwa protein yang tersusun secara tidak teratur memfasilitasi transfer energi yang lebih cepat dan lebih efisien. Temuan ini menantang anggapan bahwa sistem biologis pada dasarnya tidak teratur dan menunjukkan bahwa evolusi mungkin lebih menyukai keuntungan yang diberikan oleh pengaturan protein yang tidak teratur. Penelitian lanjutan di bidang ini menjanjikan pemahaman yang lebih dalam tentang fotosintesis dan aplikasi potensinya di berbagai bidang.
Penelitian ini telah diterbitkan di Proceedings of the National Academy of Sciences.
