एक अभूतपूर्व विकास में, शोधकर्ताओं ने प्रकाश संश्लेषण के शुरुआती चरणों को “हैक” करने में कामयाबी हासिल की है – प्राकृतिक प्रक्रिया जो पृथ्वी पर अधिकांश जीवन को शक्ति प्रदान करती है। इन प्रक्रियाओं से ऊर्जा निकालने के लिए नई तकनीकों का खुलासा करके, निष्कर्ष भविष्य में स्वच्छ ईंधन और नवीकरणीय ऊर्जा समाधानों के उत्पादन का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं। साभार: रॉबिन हॉर्टन
शोधकर्ताओं ने शुरुआती चरणों को “हैक” कर लिया है[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.
“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang
An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.
Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.
यद्यपि प्रकाश संश्लेषण एक प्रसिद्ध और व्यापक रूप से अध्ययन की जाने वाली प्रक्रिया है, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पता लगाया है कि इसमें अभी भी छिपे हुए रहस्य हैं। अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपिक तकनीकों का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि प्रकाश संश्लेषण के लिए जिम्मेदार आणविक संरचनाओं से इलेक्ट्रॉनों का निष्कर्षण पहले की तुलना में बहुत पहले के चरण में होता है। प्रकाश संश्लेषण के इस “रीसेटिंग” से अतिरिक्त ऊर्जा का बेहतर प्रबंधन हो सकता है और इसकी क्षमता का दोहन करने के नए, अधिक कुशल तरीकों का विकास हो सकता है। साभार: मैरी आयर्स
“हम प्रकाश संश्लेषण के बारे में उतना नहीं जानते थे जितना हमने सोचा था, और हमने जो नए इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण मार्ग खोजे वे काफी आश्चर्यजनक थे,” डॉ।
जबकि प्रकाश संश्लेषण एक प्राकृतिक प्रक्रिया है, वैज्ञानिकों ने यह भी अध्ययन किया है कि कैसे इसका उपयोग जलवायु संकट से निपटने में मदद के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए सूर्य के प्रकाश और पानी से स्वच्छ ईंधन का उत्पादन करने के लिए प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया का अनुकरण करके।
झांग और उनके सहयोगी शुरू में यह समझने की कोशिश कर रहे थे कि क्विनोन नामक अंगूठी के आकार के अणु प्रकाश संश्लेषण से इलेक्ट्रॉनों को “चोरी” क्यों कर सकते हैं। एल्केनोन आम हैं, और वे आसानी से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार और छोड़ सकते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रकाश संश्लेषक साइनोबैक्टीरिया में क्विनोन कैसे व्यवहार करते हैं, इसका अध्ययन करने के लिए अल्ट्राफास्ट क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक एक तकनीक का उपयोग किया।
वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने जीवित कोशिकाओं में प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया का एक सेकेंड के दस लाखवें हिस्से के अविश्वसनीय रूप से तेज समय के पैमाने पर अध्ययन किया है। व्यापक शोध के बावजूद, प्रकाश संश्लेषण में अभी भी ऐसे रहस्य हैं जिनकी खोज की जानी बाकी है। अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपिक तकनीकों का उपयोग करते हुए, टीम ने पाया कि रसायन प्रकाश संश्लेषण में शामिल अणुओं की संरचनाओं से इलेक्ट्रॉनों को पहले की तुलना में बहुत पहले चरण में निकालता है। यह “रिवाइरिंग” अतिरिक्त शक्ति को संभालने की प्रक्रिया में सुधार कर सकता है और अपनी शक्ति का उपयोग करने के नए, कुशल तरीके प्रदान कर सकता है। क्रेडिट: टॉमी पीक
झांग ने कहा, “किसी ने अच्छी तरह से अध्ययन नहीं किया है कि प्रकाश संश्लेषण के शुरुआती चरणों में ये अणु प्रकाश संश्लेषण तंत्र के साथ कैसे बातचीत करते हैं: हमने सोचा कि हम जो पहले से जानते थे उसकी पुष्टि करने के लिए हम एक नई तकनीक का उपयोग कर रहे थे।” “इसके बजाय, हमें एक पूरी तरह से नया मार्ग मिल गया है, और हमने प्रकाश संश्लेषण के ब्लैक बॉक्स को थोड़ा सा खोल दिया है।”
इलेक्ट्रॉनों की निगरानी के लिए अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रोटीन मचान जहां प्रकाश संश्लेषण की प्रारंभिक रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं, “लीकी” होती हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों को बचने की अनुमति मिलती है। यह टपका पौधों को तेज रोशनी या तेज बदलाव से होने वाले नुकसान से बचाने में मदद कर सकता है।
“प्रकाश संश्लेषण की भौतिकी प्रभावशाली है,” कैंब्रिज में कैवेंडिश प्रयोगशाला के पहले सह-लेखक तोमी बैकी ने कहा। “आम तौर पर, हम उच्च-स्तरीय सामग्रियों के साथ काम करते हैं, लेकिन कोशिकाओं के माध्यम से आवेश परिवहन का अवलोकन करने से प्रकृति कैसे काम करती है, इस बारे में नई खोजों के लिए जबरदस्त अवसर खुलते हैं।”
पहले सह-लेखक डॉ लौरा वे ने कहा, जो बायोकैमिस्ट्री विभाग में काम करता है, जो अब फिनलैंड के टूर्कू विश्वविद्यालय में स्थित है। “तथ्य यह है कि हम नहीं जानते थे कि यह मार्ग अस्तित्व में है, यह बहुत ही रोमांचक है, क्योंकि हम नवीकरणीय ऊर्जा से अधिक ऊर्जा निकालने के लिए इसका लाभ उठा सकते हैं।”
शोधकर्ताओं ने कहा कि प्रकाश संश्लेषक प्रक्रिया की शुरुआत में कार्गो निकालने में सक्षम होने के कारण, सूर्य से स्वच्छ ईंधन का उत्पादन करने के लिए प्रकाश संश्लेषक मार्गों में हेरफेर करते समय प्रक्रिया को और अधिक कुशल बना सकते हैं। इसके अतिरिक्त, प्रकाश संश्लेषण को विनियमित करने की क्षमता का मतलब यह हो सकता है कि पौधे तेज धूप का सामना करने में बेहतर सक्षम हैं।
झांग ने कहा, “कई वैज्ञानिकों ने प्रकाश संश्लेषण के शुरुआती बिंदु से इलेक्ट्रॉन निकालने की कोशिश की है, लेकिन वे कहते हैं कि यह असंभव है क्योंकि ऊर्जा प्रोटीन मचान में दबी हुई है।” “तथ्य यह है कि हम इसे पिछले ऑपरेशन में चोरी करने में सक्षम थे, आश्चर्यजनक है। शुरू में, हमें लगा कि हमने गलती की है: हमें खुद को समझाने में थोड़ा समय लगा कि हमने गलती की है।”
इस खोज की कुंजी अल्ट्राफास्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग थी, जो शोधकर्ताओं को जीवित प्रकाश संश्लेषक कोशिकाओं में ऊर्जा के प्रवाह का पालन करने की अनुमति देती है, जो कि फेमटोसेकंड स्केल-सेकंड के हजारवें हिस्से में होती है।
बायोकैमिस्ट्री विभाग के सह-लेखक प्रोफेसर क्रिस्टोफर होवे ने कहा, “इस अल्ट्रा-फास्ट विधि का उपयोग करने से हमें प्रकाश संश्लेषण की प्रारंभिक घटनाओं के बारे में और अधिक समझने में मदद मिली, जो पृथ्वी पर जीवन का आधार है।”
सन्दर्भ: टॉमी के. पैकी, लॉरा टीआई, जोशुआ एम. लॉरेंस, हाइट्स मेडिपली, इरविन रीसनर, मार्क एम. नोवाक्ज़िक, रिचर्ड एच. फ्रेंड, क्रिस्टोफर जे. राव और जेनी झांग, 22 मार्च 2023, यहां उपलब्ध हैं। आलम.
डीओआई: 10.1038/एस41586-023-05763-9
इस शोध को रिसर्च काउंसिल फॉर इंजीनियरिंग एंड फिजिकल साइंसेज (EPSRC), रिसर्च काउंसिल फॉर बायोटेक्नोलॉजी एंड बायोलॉजिकल साइंसेज (BBSRC) द्वारा समर्थित किया गया था और यह रिसर्च एंड इनोवेशन यूके (UKRI) के साथ-साथ विंटन प्रोग्राम का हिस्सा है। विश्वविद्यालय में सतत भौतिकी। कैम्ब्रिज, कॉमनवेल्थ ऑफ कैम्ब्रिज, यूरोपियन एंड इंटरनेशनल फंड, और ईयू होराइजन 2020 रिसर्च एंड इनोवेशन प्रोग्राम। जेनी झांग रसायन विज्ञान विभाग में डेविड फिलिप्स फेलो और कॉर्पस क्रिस्टी कॉलेज, कैम्ब्रिज में फेलो हैं। टोमी बैकी कैवेंडिश लेबोरेटरी में नैनोफ्यूचर फेलो हैं। लॉरा वे नोवो नॉर्डिस्क फाउंडेशन, टूर्कू विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक्टोरल फेलो हैं।
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