* Nieuws
Onderzoekers bepalen structuur van zeer efficiënte lichtantennes in groene
bacteriën
Een internationaal team van wetenschappers, met onderzoekers van twee
Nederlandse universiteiten, Leiden en Groningen, heeft de structuur
bepaald van chlorofyl in chlorosomen van groene bacteriën. Chlorosomen
zijn de lichtantennes van deze bacteriën. Het zijn langwerpige zakjes
die tot 250.000 chlorofylmoleculen kunnen herbergen.
`Kunstmatige bladeren'
Volgens de Leidse hoogleraar biofysische organische chemie Huub
de Groot, de aanvoerder van het team, kunnen soortgelijke
structuren in de toekomst bruikbaar zijn voor de ontwikkeling
van `kunstmatige bladeren': nieuwe generaties zonnecellen voor
de omzetting van energie uit licht naar brandstoffen, omdat
groene bacteriën met een hoge efficiëntie energie uit zonlicht
kunnen verzamelen voor de omzetting naar chemische energie.
Het artikel met de onderzoeksresultaten staat op Proceedings of
the National Academy of Sciences (PNAS).
Nanobuisjes
De structuur blijkt een combinatie van nanobuisjes die om
elkaar heen zitten. Dit levert een robuuste en toch plastische
structuur op van de lichtantennes in de cel. In de nanobuisjes
vormen de chlorofylmoleculen spiralen waarlangs de energie van
het licht razendsnel afgevoerd kan worden naar eiwitten in het
celmembraan waar de chemische omzetting plaatsvindt.
Evolutie
De flexibele structuur van de chlorosomen geeft de vrijheid om
de afmetingen te variëren afhankelijk van de intensiteit van
het licht, om grotere antennes te kunnen maken bij een lage
lichtintensiteit, en om het chlorofyl op een zeer heterogene
manier te organiseren. Die heterogeniteit is zeer effectief
voor de optimale absorptie van lichtdeeltjes bij verschillende
golflengtes, zo ontdekten de onderzoekers. Deze combinatie van
vrijheid in gebondenheid heeft ervoor gezorgd dat de bacteriën
zich in de evolutie uitstekend hebben kunnen aanpassen aan
woonplaatsen met een extreem lage lichtintensiteit,
bijvoorbeeld 100 meter diep in zee.
Laatst bekende structuur
Van planten en algen - de andere organismen die zonlicht
omzetten in chemische energie - was al bekend hoe hun
lichtabsorberende antennes werkten. Chlorosomen zijn echter
zeer heterogeen van moleculaire samenstelling; geen chlorosoom
ziet er hetzelfde uit. Daardoor is het oplossen van de
structuur met röntgenkristallografie geen optie. Biochemische
en microscopische technieken leverden al tientallen jaren
tegenstrijdige informatie op.
Nieuwe strategie
De auteurs van het PNAS-artikel ontwikkelden een nieuwe
strategie om het probleem op te lossen met een combinatie van
genetische technieken en twee geavanceerde bio-imaging
methoden: cryo-elektronenmicroscopie en vaste-stof NMR
(kernmagnetische resonantie). Met modellering werden de
puzzelstukjes bijeengevoegd om een totaalbeeld van het
chlorosoom te construeren.
Late genen
Het eerste wat ze deden was drie genen uit de bacterie
verwijderen die laat in de evolutie zijn ontstaan. De biologen
in het team, onderzoekers verbonden aan de Pennsylvania State
University in Amerika, vermoedden dat die `late' genen
verantwoordelijk zijn voor de grote efficiëntie waarmee de
bacterie licht absorbeert. De chlorosomen van deze mutant - een
stapje terug in de evolutie - bleken een veel eenvormiger en
simpeler structuur te hebben dan die van de wild type bacterie.
Bovendien bleken ze een stuk minder efficiënt te zijn. De
heterogeniteit is kennelijk het geheim achter de efficiëntie.
Precieze stapeling
De volgende stap was om de mutant op te kweken en het chlorofyl
te verrijken met stabiele koolstof-13 isotopen voor vaste-stof
NMR metingen. Dit gebeurde in het Max-Planck Insituut für
Bioanorganische Chemie in Duitsland. Volgens de Groot was al na
de eerste NMR-metingen duidelijk dat het hier een doorbraak
betrof: `Voor het eerst kregen we signalen van chlorosomen die
ons in staat stelden om de precieze stapeling van het chlorofyl
vast te stellen. We konden heel nauwkeurig afstanden tussen de
moleculen bepalen en we vonden dat de moleculen om en om
gestapeld waren met staarten naar binnen en naar buiten.'
Ringen en buizen
Om van de microstructuur naar de nanobuisjes te komen werd nog
weer een andere techniek gebruikt, cryo-elektronenmicroscopie
in Groningen. De Groningse onderzoekers vonden een bijzondere
regelmaat in de structuur, die alleen maar te verklaren is met
een spiraalvormige rangschikking van de moleculen. De Groot:
`Toen we dat eenmaal in de gaten hadden, was het mogelijk om in
de computer nauwkeurig de afmetingen van de spiraal met
metingen van de stapeling te combineren en moleculen samen te
voegen tot een zeer gedetailleerde structuur van het
chlorosoom.' Het resultaat was een structuur waarin om en om
gestapelde chlorofylen ringen en buizen vormen die om elkaar
heen zitten. `We vonden ook dat de structuur van het wilde type
niet alleen minder eenvormig was, maar bovendien de stapels in
een andere richting heeft lopen, ongeveer 90 graden ten
opzichte van de stapeling in de mutant', aldus de Groot. `De
structuur van de mutant staat dus niet op zichzelf, maar
verschaft ook inzicht in hoe je op verschillende manieren tot
een soortgelijk chlorosoomsysteem kunt komen. Dit inzicht is
belangrijk voor de constructie van kunstmatige systemen in een
vervolgstap.'
Nieuwe generaties zonnecollectoren
De Groot: `De reden dat chlorosomen aantrekkelijk zijn als
model voor nieuwe generaties zonnecollectoren is dat ze zo
eenvoudig zijn samengesteld en goed werken, al bij zeer weinig
licht. In de natuurlijke fotosynthese is de hoeveelheid
zonlicht meestal niet de beperkende factor. Groene bacteriën
leven echter onder extreem lage lichtintensiteit, met soms maar
enkele fotonen per chlorofylmolecuul per dag. Om dan te kunnen
overleven op zonne-energie is een huzarenstukje en dankzij het
PNAS onderzoek weten we nu veel meer over hoe de natuur dit
probleem heeft opgelost. Door de dichte stapeling van
chlorofylmoleculen in de buizenstructuur is er een sterke
koppeling tussen de moleculen en kan de energie die wordt
opgevangen door meer dan honderdduizend moleculen gebundeld
worden om voldoende stroom te genereren voor de omzetting naar
chemische energie. Bovendien beschermt de structuur zichzelf
tegen teveel licht. Een wanordelijke stapeling van moleculen
blijkt hierbij te helpen, wat op het eerste gezicht een beetje
vreemd lijkt: een rommeliger structuur is in dit geval namelijk
beter voor de biologie. Om de kennis en nieuwe inzichten in te
biologie toe te passen in de vertaling naar nanogestructureerde
materialen voor de conversie van zonlicht naar brandstof is nu
de volgende uitdaging.'
Alternating syn-anti bacteriochlorophylls form concentric
helical nanotubes in Chlorosomes.
Swapna Ganapathy, Gert T. Oostergetel, Piotr K. Wawryziniak,
Michael Reus, Aline Gomez Maqueo Chew, Francesco Buda, Egbert
J. Boekema, Donald A. Bryant, Alfred R. Holzwarth, Huub J.M. de
Groot.
PNAS Early Edition
Webredactie - 06/05/2009
Universiteit Leiden