De biofysica van fotosynthese

Prof.dr. Rienk van Grondelle
Hoogleraar biofysica
Vrije Universiteit Amsterdam

1. Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

De belangrijkste ontwikkeling in mijn vakgebied, de biofysica van de fotosynthese, is de ontdekking dat fotosynthese gebruik maakt van kwamtumcoherente verschijnselen en mogelijk gedurende evolutie deze kwamtumcoherentie heeft geoptimaliseerd. Inmiddels zijn vergelijkbare verschijnselen en processen in ander biologische system geïdentificeerd en een nieuw vakgebied is aan het ontstaan: de kwantumbiologie.

Fotosynthese is het proces dat planten, algen en fotosynthetische bacteriën gebruiken om de energie van zonlicht vast te leggen in een chemische verbinding, een ‘brandstof’. Kort gezegd: in planten wordt zonlicht (fotonen) geabsorbeerd door pigmentmoleculen zoals chlorofyl en caroteen, deze pigmenten zijn gebonden aan speciale eiwitten. Na absorptie van een foton ontstaat een elektronische excitatie die razendsnel (< 10-12 s) van ‘chlorofyl naar chlorofyl’ wordt doorgegeven om uiteindelijk aan te komen in een z.g. reactiecentrum, een speciaal chlorofyl-eiwit complex, dat in staat is de elektronische excitatie om te zetten in een gescheiden paar ladingen. Al deze eiwitten bevinden zich in een membraan, het z.g. thylakoidemembraan, en de ladingsscheiding vindt plaats over dat membraan. De absorptie van licht leidt tot dus uiteindelijk tot de vorming van een transmembraan elektrochemische potentiaal, die via aan serie ‘donker reacties’, de z.g. ‘Calvin cylclus’ waar CO2 wordt gereduceerd tot een energierijke suikerverbinding, die de plant in een veel later stadium kan gebruiken.

Bladgroenkorrels van mais. Deze bladgroenkorrels spelen een belangrijke rol bij de fotosynthese in een plant

Bladgroenkorrels van mais. Deze bladgroenkorrels spelen een belangrijke rol bij de fotosynthese in een plant. Beeld: Dr George Chapman / Corbis

Deze ultrasnelle verschijnselen zijn uitgebreid onderzocht met zeer bijzondere lasertechnieken. Recent is ontdekt dat tijdens het transport van de elektronische excitatie en de ladingsscheiding deze fotosynthetische pigment-eiwit complexen gebruikmaken van kwantumcoherentie. Dat is opmerkelijk omdat eiwitten energetisch wanordelijke structuren zijn en je intuïtief zou verwachten dat dergelijke coherenties snel verloren zouden gaan. Het feit dat dat niet het geval is suggereert dat de belangrijke elektronische processen, overdracht van excitatie-energie en ladingsscheiding, niet aan alle mogelijke eiwitdynamica is gekoppeld maar aan slechts enkele zeer specifieke bewegingen die er voor zorgen dat het opvangen, transporteren en opslaan van zonne-energie door planten en andere fotosynthetische organismen met een verbazingwekkend hoge kwantumefficiëntie verloopt.

Het is niet ondenkbaar dat in de levende natuur op grote schaal gebruik is gemaakt van zeer specifieke en selectieve eiwitdynamica en ‘kwantumcoherentie’. Te denken valt aan het werkingsmechanisme van elektron- en proton transporterende eiwitten zoals die in onze ademhalingsketen voorkomen, receptoren die ‘informatie’ doorgeven, ion-kanalen etc.

2. Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

De wetenschappelijke doorbraak waarop ik hoop is dat zowel met behulp van nieuwe experimenten en nieuwe theoretische concepten aangetoond kan worden dat in fotosynthetische systemen het transport van elektronische energie en het scheiden van lading inderdaad gekoppeld is aan slechts enkele, lokale fononen (bewegingen van de pigment-eiwitstructuur op een tijdschaal van enkele picoseconden). Deze koppeling aan fononen geeft het proces richting en behoudt de kwantumcoherentie. Dat is belangrijk omdat er vele energetische barrières en energetische ‘valkuilen’ zijn, die gemakkelijk tot ‘verlies’ kunnen leiden. Kwantumcoherentie helpt deze verliezen te vermijden. Een nieuwe laser-spectroscopische techniek is ontwikkeld, ‘2-dimensionale foton echo’s’ die deze coherenties expliciet zichtbaar kunnen maken.

3. Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

De samenleving staat voor de gigantische opgave het verbranden van fossiele brandstoffen te vervangen door duurzame vormen van energie, bijvoorkeur door zonlicht effectief om te zetten in een brandstof. Met name omdat de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer dramatische vormen aan gaat nemen wat zal leiden tot onacceptabele veranderingen in het klimaat. Fotosynthetische organismen zetten zonlicht om in een brandstof, in principe met een prima efficiëntie. Toch moet fotosynthese worden ‘verbeterd’ omdat bij de uiteindelijke vorming van biomassa veel energie verloren gaat, ondermeer in allerlei processen die de plant of alg beschermen tegen overbelichting. In een van de belangrijkste verliesprocessen schakelt het fotosynthetisch systeem van een ‘fotosynthetische’ toestand naar een toestand waarin het grootste deel van de geabsorbeerde energie wordt omgezet in nutteloze warmte. Deze schakeling vereist controle over het complexe energielandschap en kan goed worden begrepen op basis van de concepten uit de ‘kwantumbiologie’. Fundamenteel begrip van het schakelproces kan leiden tot een aanmerkelijke verbetering van de efficiëntie van fotosynthese. Tevens, bij de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese zou het uiterst nuttig zijn dezelfde ‘kwantumbiologische’ processen te gebruiken die de natuur heeft gebruikt en geoptimaliseerd.


Andere bijdragen in Energie, Klimaat, Natuur- en Sterrenkunde