لغز التمثيل الضوئي عند النبات يُكْشَف بعد عقود من الغموض.. تعرف على التفاصيل الآن

السبب وراء تدفق الإلكترونات من جانب واحد فقط في عملية التمثيل الضوئي داخل مركب بروتيني متناظر أثار حيرة العلماء لعقود، حيث اكتشف فريق من المعهد الهندي للعلوم (IISc) ومعهد كاليفورنيا للتقنية (Caltech) سر هذا اللغز الحيوي، موضحين كيف أن اختلافات دقيقة في بيئة البروتينات تؤثر بشكل كبير على تدفق الإلكترونات في نظام التمثيل الضوئي الثاني (Photosystem II – PSII).

تفسير تدفق الإلكترونات من جانب واحد في نظام التمثيل الضوئي الثاني PSII

يبدأ تفسير تدفق الإلكترونات من جانب واحد في نظام التمثيل الضوئي الثاني PSII عند فهم تركيب هذا المركب البروتيني-الصبغي الذي يحتوي على ذراعين متماثلين: فرع D1 وفرع D2. يحتوي كل منهما على جزيئات الكلوروفيل وصبغات الفيئوفيتين، التي تنقل الإلكترونات إلى ناقلات تعرف بالبلاستوكونين. رغم التماثل البنيوي الكامل بين الذراعين، أثبتت الدراسات والتجارب الحديثة أن تدفق الإلكترونات يحدث فقط عبر فرع D1، بينما يبقى فرع D2 غير نشط، وهو الأمر الذي شكل لغزًا مستمرًا للباحثين. استُخدمت في هذه الدراسة أدوات متقدمة مثل محاكاة الديناميكا الجزيئية، الحسابات الكوانتية، ونظرية ماركوس المتخصصة في نقل الإلكترونات لفهم سبب هذا التباين في النشاط الإلكتروني.

شرح مفصل لتدفق الإلكترونات من جانب واحد في التمثيل الضوئي وعوامل المقاومة الطاقية

تكشف تحليلات الفريق البحثي أن أحد الأسباب الرئيسية وراء تركيز تدفق الإلكترونات في فرع D1 يعود إلى اختلاف الحاجز الطاقي الذي يجب على الإلكترونات تخطيه للانتقال من الفيئوفيتين إلى البلاستوكونين. في فرع D2، يحتاج هذا الانتقال إلى طاقة تنشيط تعادل ضعف ما هو مطلوب في فرع D1، مما يجعل عملية الانتقال في D2 غير فعالة طاقيًا، ونتيجة لذلك، يواجه هذا الفرع مقاومة أعلى (بقيمة تصل إلى 100 ضعف) لحركة الإلكترونات. كما أظهرت محاكاة التيار والجهد أن فرع D1 يمتلك حالة إثارة طاقية أدنى للكلوروفيل مقارنة بفرع D2، مما يعزز قدرة D1 على جذب ونقل الإلكترونات بشكل أكثر فاعلية، وهو ما يفسر بشكل دقيق لماذا يتركز تدفق الإلكترونات من جانب واحد فقط في هذا النظام البروتيني الحيوي.

فرص استغلال فهم تدفق الإلكترونات من جانب واحد في تصميم أنظمة اصطناعية متقدمة

تقدم هذه النتائج رؤية جديدة وحاسمة لتعديل نظم التمثيل الضوئي واستغلالها في التطبيقات الصناعية؛ حيث تقترح الدراسة إمكانية إعادة توجيه أو تعديل تدفق الإلكترونات عبر تغيير مواقع الصبغات في فرع D2، مثل استبدال صبغة الفيئوفيتين بالكلوروفيل، مما يمكن أن يقلل من حاجز الطاقة ويعيد النشاط الإلكتروني إلى هذا الفرع.

• استخدام نتائج البحث لتصميم أنظمة صناعية لتحويل الطاقة الشمسية إلى وقود كيميائي
• التركيز على تحسين كفاءة التفاعلات البيوكيميائية داخل أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعية
• تطوير حلول مستدامة للطاقة المتجددة تعتمد على فهم تدفق الإلكترونات من جانب واحد

ويؤكد الأستاذ برابال ك. مايتي من قسم الفيزياء في IISc أن هذه الدراسة تمثل خطوة مهمة لفهم آليات التمثيل الضوئي الطبيعية بعمق، بينما يشير البروفيسور بيل غودارد من معهد كالتك إلى أن دمج النظريات المتعددة المستويات ساعد في فك لغز معقد، رغم استمرار بعض الأسئلة المفتوحة.