Loại tảo đơn bào này thu nhận ánh sáng đỏ xa bằng cách sắp xếp các phân tử diệp lục thành các cụm lớn, có tính liên kết chặt chẽ bên trong ăng-ten quang hợp của nó. Ảnh: Yuki Isaji, Soichiro Seki

Cấu trúc diệp lục Trachydiscus minutus

Cuộc sống trong môi trường thiếu sáng đẩy các sinh vật quang hợp đến giới hạn của chúng. Ở những nơi ánh sáng mặt trời khan hiếm hoặc bị lọc, một số loài đã tiến hóa để sử dụng các phần của quang phổ ánh sáng mà hầu hết các loài khác không thể. Một nghiên cứu mới từ Đại học Thủ đô Osaka tiết lộ cách một loại tảo nước ngọt mở rộng phạm vi hoạt động của nó sang ánh sáng đỏ xa bằng cách sắp xếp lại một trong những phân tử quen thuộc nhất trong sinh học.

Ánh sáng đỏ xa mang ít năng lượng hơn so với các bước sóng thường được sử dụng trong quá trình quang hợp, đó là lý do tại sao hầu hết các loài thực vật và tảo dựa vào ánh sáng đỏ và xanh lam trong vùng nhìn thấy được. Tuy nhiên, trong các khu rừng rậm hoặc vùng nước giàu trầm tích, các bước sóng có năng lượng cao hơn thường bị hấp thụ trước khi chúng có thể xuyên sâu vào các lớp nước. Những gì còn lại là ánh sáng đỏ xa, và đối với hầu hết các sinh vật, lượng ánh sáng này là không đủ.

“Trong khi một số vi khuẩn lam sử dụng chất diệp lục chuyên biệt để hấp thụ ánh sáng đỏ xa, nhiều loài thực vật và tảo đạt được hiệu quả tương tự bằng cách sắp xếp lại chất diệp lục a thông thường thành các cụm hợp tác bên trong các anten quang hợp của chúng,” Ritsuko Fujii, tác giả chính và Phó giáo sư tại Trường Cao học Khoa học và Trung tâm Nghiên cứu Quang hợp Nhân tạo thuộc Đại học Thủ đô Osaka cho biết.

Diệp lục a là một sắc tố không thể tự hấp thụ ánh sáng đỏ xa. Vậy, chính xác thì các sinh vật này thực hiện quá trình quang hợp bằng cách nào?

Một loại tảo độc đáo hé lộ những manh mối

Để nghiên cứu vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu loài tảo nước ngọt Trachydiscus minutus. Loài tảo này tích lũy một lượng lớn protein thu nhận ánh sáng có khả năng sử dụng ánh sáng đỏ xa.

Mặc dù tảo có thể quang hợp trong điều kiện ánh sáng bình thường, nhưng nồng độ protein cao này trở nên đặc biệt quan trọng trong môi trường thiếu sáng.

“Sinh vật này tạo ra một loại anten quang hợp chuyên biệt gọi là protein violaxanthin-chlorophyll dịch chuyển đỏ (rVCP), có khả năng hấp thụ ánh sáng đỏ xa mặc dù nó chỉ chứa chlorophyll a ,” Fujii cho biết.

Sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh, các nhà nghiên cứu đã xác định cấu trúc của rVCP ở độ phân giải cao 2,4 Å. Họ phát hiện ra rằng protein này tạo thành một cấu trúc chưa từng được báo cáo trước đây: một tetramer được cấu tạo từ hai heterodimer khác nhau. Cấu trúc độc đáo này đưa các phân tử chlorophyll a lại gần nhau, cho phép chúng tạo thành các cụm sắc tố lớn bất thường.

Để xem cấu trúc này ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng như thế nào, các nhà nghiên cứu đã kết hợp dữ liệu cấu trúc với các phép tính hóa học lượng tử đa thang.

Chia sẻ năng lượng mở khóa ánh sáng đỏ xa

“Phân tích của chúng tôi cho thấy ba cụm diệp lục trong mỗi dị dimer đóng vai trò chính trong việc hấp thụ ánh sáng đỏ xa,” Fujii nói. “Điều quan trọng là, sự hấp thụ này hoàn toàn xuất phát từ sự phân bổ năng lượng trên nhiều phân tử diệp lục, độc lập với các hiệu ứng chuyển điện tích được cho là thúc đẩy các hệ thống dịch chuyển đỏ tương tự.”

Kết quả cho thấy một cách điều chỉnh khả năng hấp thụ ánh sáng khác. Thay vì thay đổi bản thân sắc tố, khung protein kiểm soát cách các phân tử diệp lục giống hệt nhau tương tác, cho phép chúng thu nhận các bước sóng ánh sáng dài hơn.

Cơ chế này giúp giải thích làm thế nào một số sinh vật vẫn có thể hoạt động trong môi trường thiếu sáng.

Ý nghĩa đối với năng lượng và thiết kế các protein mới

Những phát hiện này cũng có thể có ứng dụng thực tiễn. Một số loài tảo Eustigmatophyte có thể lưu trữ một lượng lớn dầu, khiến chúng trở nên hấp dẫn cho việc sản xuất năng lượng sinh học bền vững. Các sinh vật sử dụng ánh sáng đỏ xa một cách hiệu quả có thể cho phép sản xuất dầu trong các môi trường hiện không phù hợp.

Cấu trúc tứ phân tử bất thường của rVCP cũng có thể được dùng làm mô hình để thiết kế các protein mới. Vì sự sắp xếp sắc tố phụ thuộc vào trình tự protein, hệ thống này có thể giúp định hướng các nỗ lực chế tạo công nghệ quang hợp nhân tạo hoặc cải tiến.

“Khi sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc mở rộng quá trình quang hợp sang vùng hồng ngoại xa để thúc đẩy năng suất quang hợp tổng thể trên Trái đất, mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là làm sáng tỏ cách phức hợp này cung cấp và thu nhận năng lượng cho hệ thống quang hợp và làm thế nào để tối ưu hóa cơ chế đó,” Fujii nói.