Et internationalt forskerhold har afsløret nanostrukturer i klorofylmolekylet i nogle usædvanlige bakterier. Det giver nyt håb om at forstå naturens supereffektive - men også komplicerede - fotosyntese og en dag høste elektricitet på den måde via solenergi.

»Man kan skabe sådanne molekylestrukturer i en opløsning, blot man har den rette. Det har folk faktisk gjort i årevis, men uden at forstå de biologiske regler, der gælder for større strukturer. Jeg vil ikke påstå, at vi forstår det hele endnu, men vi har nu styr på to af strukturerne, og hvordan de forholder sig til det biologiske system som helhed,« siger professor Donald Bryant, Pennsylvania State University, som har ledet projektet, mens hollandske og tyske forskere har bidraget.

Resultaterne viser, at bakteriernes indre klorofylmolekyler er samlet i komplekse systemer af nanorør i vidt forskellige størrelser, og at de er opbygget af atomspiraler, ligesom dna-molekyler.

Hver eneste foton skal fanges
De studerede bakterier (chlorobaculum tepidum) er grønne svovlbakterier, som lever på ekstremt ubehagelige steder, set med menneskelige øjne. For eksempel 100 meter nede i Sortehavet eller dybt i Yellowstone National Parks varme kilder.

Dernede findes næsten intet lys, men disse bakterier har alligevel brug for lys, så de har gennem tiderne udviklet en ualmindeligt effektiv måde at fange lyset på og til at holde på energien.

Bakterierne rummer strukturer, som kaldes klorosomer, og hver af disse indeholder op mod 250.000 klorofylmolekyler.

»Bakterierne oplever kun at blive ramt af nogle få fotoner hver dag på hvert klorofylmolekyle, så det er virkelig vigtigt at kunne fange lysenergien og aflevere den, hvor den skal bruges,« siger professor Donald Bryant, som leder forskerholdet.

Tilsyneladende er der vild uorden i molekylet
Normalt ville en undersøgelse af sådanne molykyler ske med såkaldt røntgenkrystallografi, som kan afgøre, hvordan atomerne sidder i molekylet.
Men røntgenkrystallografi dur ikke her, for den teknik kan kun bruges, når molekylerne er ensartede i størrelse og form, og det er klorosomer ikke. De er tværtimod totalt uordnede. Så forskerne på Penn State University måtte tage andre metoder i brug.

»Hver eneste klorosom i en grøn bakterie er unik i sin indre organisation. Hvis man tager et tværsnit, minder de om andouille pølser - mønstret af skiftevis fedt og kød afveksler hele tiden, ikke to tværsnit er ens,« siger Donald Bryant.

For at komme tættere på problemstillingen, brugte forskerne først genetik til at skabe en mutant-bakterie med særlige egenskaber.

For de vidste, at de komplekse klorofyl-molekylerne er kommet til forholdsvis sent i de grønne bakteriers evolution. Så teorien var, at evnen til at høste lysenergi var forbundet med denne udvikling.

Tre særlige gener blev slukket i den laboratoriedyrkede bakterie, nemlig tre, som tydeligvis er kommet til sent i evolutionen. Forskerne antog, at disse gener var ansvarlige for de lysfølsomme egenskaber.

Nanorør lå samlet som russiske dukker
Nu blev den mutante bakterie undersøgt parallelt med de vilde bakterier - denne gang med kryo-elektronmikroskopi, som tager snapshots af klorosomerne under stærk nedkøling.

Her så man, at klorofylmolekylerne i klorosomet var opbygget som nanorør. Men de havde forskellige størrelser, og rørene lå inden i hinanden som russiske babuska-dukker i de vilde bakterier. Den muterede bakterie havde derimod kun et enkelt sæt af rør.

Derpå gik forskerne over til at bruge NMR-spektroskopi, som bruger et magnetfelt.

»NMR-teknikken viste os, at hvert enkelt klorofylmolekyle er arrangeret i identiske par, med lange hydrofobiske haler, der stikker ud til hver side. Vi fandt også ud af præcis, hvordan klorofylmolekylerne er forbundet med hinanden, og vi kunne bestemme afstanden mellem dem,« siger Donald Bryant i en pressemeddelelse.

Dermed kunne forskerne se, at molekylerne var dannet som lange, spiralformede rør. Og her var der forskel på de vilde og den muterede bakterie. Den muteredes spiraler havde en næsten ret vinkel mod det samlede rør, mens de vilde bakterier havde en mindre vinkel. Det var åbenbart vigtigt.

»Det virker i første omgang ulogisk, at bakterierne har udviklet et mere effektivt lysfangersystem ved at øge mængden af uorden i klorosom-strukturen. Som regel ville man tænke, at et system virker bedre, hvis det er ordnet. Men det er ikke tilfældet her,« siger han.

Forklaringen er, at hvis klorofylmolekylerne havde været identiske, så ville lysenergien fra hver foton vandre rundt længe i strukturen. Og det nytter ikke, for energien skal hen, hvor den skal bruges, i løbet af få nanosekunder, ellers bliver energien tabt.