Japonský mikroskop s citlivostí jedné molekuly mění chápání fotosyntézy a inspiruje nové technologie

Vědci vyvinuli nový ultrarychlý mikroskop s přechodovou absorpcí, jehož citlivost se blíží úrovni jednotlivých molekul.

Vědci vyvinuli nový ultrarychlý mikroskop s přechodovou absorpcí, jehož citlivost se blíží úrovni jednotlivých molekul. Cílem tohoto průlomového nástroje je lépe porozumět tomu, jak fotosyntetické organismy, jako jsou rostliny a bakterie, dokáží tak efektivně využívat světelnou energii.

Příroda vybavila fotosyntetické organismy rozmanitými světlosběrnými anténami, kde jsou pigmentové molekuly uspořádány tak, aby optimálně zachytávaly světlo. Tyto molekulární struktury však nejsou dokonale jednotné a vykazují odchylky v důsledku konformačních zkreslení a fluktuací. Tyto strukturální rozdíly mohou ovlivňovat excitované stavy a procesy přenosu energie, které se spouštějí absorpcí světla. Jelikož tyto rané dynamiky excitace iniciují kaskádu fotosyntetických fotochemických reakcí, je pochopení vlivu těchto fluktuací a heterogenit klíčové pro odhalení, jak si fototrofní organismy udržují účinnou a stabilní fotosyntézu.

Dosud se k analýze těchto jevů široce využívala spektroskopie fluorescence jednotlivých molekul. Ta však naráží na zásadní omezení při pozorování ultrarychlých a vícestupňových procesů, stejně jako nef fluorescentních „tmavých“ stavů a radikálových druhů. Naproti tomu spektroskopie přechodové absorpce dokáže sledovat dynamiku excitace, včetně relaxace excitovaného stavu a přenosu energie, v řádu femtosekund. Zlepšení její citlivosti na úroveň jednotlivých molekul však bylo až dosud velkou výzvou.

Nový mikroskop, vyvinutý výzkumnou skupinou profesora Toru Konda z Národního institutu pro základní biologii (NIBB) v Japonsku, integruje unikátní optické uspořádání pro mikroskopii absorpce s jedním objektivem, vysoce citlivý vyvážený detektor a detekci se zesílením lock-in. To umožňuje provádět femtosekundové časově rozlišené měření přechodové absorpce nepřetržitě s vysokou opakovací frekvencí. Mikroskop navíc umožňuje simultánní měření absorpce a fluorescence, včetně získávání fluorescenčního spektra a životnosti. S prostorovým rozlišením přibližně 300 nanometrů, časovým rozlišením pod 200 femtosekund a citlivostí detekce signálu přechodové absorpce kolem 10^-7 v absorbanci se blíží úrovni jednotlivých molekul.

Pomocí nového mikroskopu vědci analyzovali samoagregáty pigmentu Zn-HM, které napodobují chlorosom, fotosyntetickou světlosběrnou anténu nalezenou u zelených sirných bakterií. Podařilo se jim identifikovat dvě kinetické složky s téměř identickými časovými konstantami, které se při konvenčních souhrnných měřeních průměrovaly. Úspěšně také kvantifikovali fotofyzikální vlastnosti spojené s těmito složkami, jako je absorbance, účinnost fluorescence a poměr fluorescenčních píků, čímž odhalili, jak strukturální heterogenita a neuspořádanost přispívají k dynamice excitace a excitonovým koherenčním doménám.