Wetenschappers van de Vrije Universiteit Amsterdam en kennisinstellingen in China hebben voor het eerst de moleculaire machines achter fotosynthese direct in hun natuurlijke omgeving in plantencellen in beeld gebracht.
De resultaten, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, laten zien dat deze eiwitcomplexen anders zijn georganiseerd dan tot nu toe werd aangenomen.
Fotosynthese is het proces waarmee planten zonlicht omzetten in chemische energie. Daarbij produceren ze zuurstof en vormen ze de basis van vrijwel al het leven op aarde. “Hoewel dit proces al tientallen jaren wordt onderzocht, waren gedetailleerde structuren tot nu toe alleen te bestuderen nadat de eiwitten uit hun natuurlijke omgeving waren gehaald. Daardoor bleef onduidelijk of die beelden een realistisch beeld gaven van hoe het fotosynthetische mechanisme aan het werk is,” aldus hoogleraar Biofysica van fotosynthese Roberta Croce.
Individuele atomen zichtbaar
Met behulp van geavanceerde cryo-elektronenmicroscopie brachten de onderzoekers de fotosynthetische eiwitcomplexen rechtstreeks in de membranen van rijstchloroplasten in kaart, met een resolutie die bijna individuele atomen zichtbaar maakt. Vervolgens gebruikten zij computersimulaties om te onderzoeken hoe de opgevangen zonne-energie door deze moleculaire structuren wordt geleid.
De beelden laten zien dat de fotosystemen in hun natuurlijke omgeving grotere samenstellingen vormen dan eerder bekend was. Daarnaast ontdekten de onderzoekers een onverwachte moleculaire structuur die helpt bij het vormgeven van het fotosynthetische membraan. “Volgens ons onderzoek draagt juist deze natuurlijke organisatie bij aan de uitzonderlijk efficiënte overdracht van zonne-energie binnen plantencellen,” zegt natuurkundige Eduard Elias.
Werking fotosynthese onder natuurlijke omstandigheden
De studie levert daarmee het eerste realistische moleculaire beeld op van hoe het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de fotosynthetische omzetting van licht in elektronen is georganiseerd en functioneert. Dat vormt een belangrijke basis voor toekomstig onderzoek naar de werking van fotosynthese onder natuurlijke omstandigheden.
Fotosynthese zorgt niet alleen voor de zuurstof die we inademen, maar vormt ook de basis van onze voedselproductie en speelt een essentiële rol bij het opnemen van koolstofdioxide uit de atmosfeer. Een beter begrip van dit proces kan onderzoekers helpen om gewassen in de toekomst efficiënter zonlicht te laten benutten. Dat kan bijdragen aan hogere landbouwopbrengsten, een duurzamere voedselproductie en een betere voorbereiding op de groeiende wereldwijde vraag naar voedsel.