Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

تخيل داخل ورقة شجر كأنه محطة طاقة عالية التقنية تعج بالحركة. مهمتها هي التقاط ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء يمكن للنبات استخدامها للنمو. تحدث هذه العملية في مصانع صغيرة تسمى "النظام الضوئي الأول" (Photosystem I). فكر في هذه المصانع على أنها تمتلك خطي تجميع متطابقين، أو "فرعين"، يعملان جنبًا إلى جنب. على هذه الخطوط، تتسابق الإلكترونات (جسيمات مشحونة صغيرة) من نقطة البداية إلى خط النهاية، تمامًا مثل العدائين في سباق تتابع. عادةً ما تقفز هذه الإلكترونات بين أحجار خطوة خاصة تسمى "العوامل المرافقة" (cofactors). وفي النبات السليم، تكون أهم أحجار الخطوة هذه مكونة من جزيء محدد يسمى "فيلوكوينون" (phylloquinone). لطالما تناقش العلماء حول أي من خطي التجميع هو "الرئيسي" وأيهما "الاحتياطي"، ولكن كان من الصعب رؤية ما يحدث بالضبط لأن الإلكترونات تتحرك بسرعة فائقة—أسرع من قدرة الكاميرا على التقاط صورة.

تُركز هذه الدراسة على مجموعة معينة من البكتيريا الزرقاء (كائنات مجهرية تشبه النباتات) لديها دليل تعليمات معطل. بسبب فقدان جين معين، لا تستطيع هذه الكائنات صنع أحجار خطوة "الفيلوكوينون" العادية الخاصة بها. وبدلاً من ذلك، تُجبر على استخدام جزيء مختلف، وهو "بلاستوكوينون" (plastoquinone) أكثر تعثرًا قليلاً. هذا التغيير يبطئ حركة الإلكترونات بشكل كبير، محولاً إياها من عدو سريع البرق إلى هرولة بطيئة. ومن خلال إبطاء السباق، تمكن العلماء أخيرًا من "رؤية" حركة الإلكترونات ومعرفة كيف يتقاسم الخطان العمل بدقة. وهذا الأمر يكتسب أهمية لأن فهم كيفية بناء الطبيعة لمثل هذه الألواح الشمسية الفعالة يمكن أن يساعدنا في تصميم خلايا شمسية وبطاريات اصطناعية أفضل لاستخدامنا الخاص.

قرر الباحثون إلقاء نظرة فاحصة على نسختين مختلفتين من هذه البكتيريا "المعطلة". امتلكت النسخة الأولى نسخة فضفاضة ومتذبذبة من الجزيء البديل (لنسمِّها "الفريق المرتخي")، بينما امتلكت النسخة الأخرى نسخة تتناسب بإحكام في مكانها (لنسمِّها "الفريق المحكم"). أرادوا معرفة ما إذا كان ارتخاء الجزيء يغير المسار الذي تختاره الإلكترونات. وللقيام بذلك، بنوا فقاعات اصطناعية دقيقة تسمى "بروتوليبوزومات" (proteoliposomes) وثبتوا مصانع النظام الضوئي الخاصة بالبكتيريا عليها. ثم ضربوا المصانع بومضة ضوئية فائقة السرعة وقاسوا الشرارة الكهربائية الصغيرة التي قفزت عبر جلد الفقاعة.

إليكم ما وجدوه: في "الفريق المحكم"، تحركت الإلكترونات بإيقاع يمكن التنبؤ به. حيث سلك حوالي 60% من الإلكترونات المسار السريع (فرع سنسميه الفرع B) في غضون 5 ميكروثانية تقريبًا، بينما سلك الـ 40% الآخرون مسارًا أبطأ قليًّا (الفرع A) في غضون 30 ميكروثانية تقريبًا. ومع ذلك، في "الفريق المرتخي"، تغيرت القصة. كانت الإلكترونات أبطأ حتى أكثر؛ حيث استغرق المسار السريع حوالي 10 ميكروثانية، بينما جرّ المسار البطيء الحركة لمدة وصلت إلى 100 ميكروثانية. والأهم من ذلك، أن التوازن قد اختل؛ ففي النسخة المرتخية، اختار نسبة هائلة تبلغ 70% من الإلكترونات المسار B، بينما ذهب 30% فقط إلى المسار A.

يشير العلماء إلى أن هذا التحول يحدث لأن الجزيء المرتخي يجعل المسار A بمثابة طريق مسدود. إذ يصبح من الصعب طاقيًا على الإلكترون القفز من حجر الخطوة في المسار A إلى المحطة التالية، لذا تتجنب الإلكترونات هذا المسار وتتكدس في المسار B بدلاً من ذلك. الأمر يشبه لو أن أحد جانبي الجسر به حفرة عملاقة؛ فستنتقل معظم السيارات تلقائيًا إلى الجانب الآخر لتجنب المطبات. تؤكد هذه الدراسة أن تدفق الإلكترات في هذه البكتيريا المتحولة يعاد توزيعه بشكل كبير، حيث يقوم المسار B بمعظم العمل الشاق تقريبًا.

تحقق الباحثون أيضًا مما إذا كان بإمكانهم استبدال الجزيئات المرتخية بمادة كيميائية مختلفة لمعرفة ما إذا كان النظام سيصلح نفسه. ووجدوا أن "الفريق المحكم" كان عنيدًا؛ فلم يستطع المادة الكيميائية الجديدة إخراج الجزيء الأصلي. لكن "الفريق المرتخي" كان مرنًا؛ حيث استطاعت المادة الكيميائية الجديدة السيطرة بسهء، وتغيرت سرعات الإلكترونات مرة أخرى. أثبت هذا أن نوع الجزيء المحدد ومدى إحكام تثبيته في مكانه هما المفتاحان للتحكم في المسار الذي تسلكه الإلكترونات.

باختًا، تُظهر هذه الورقة البحثية أن استقرار أحجار الخطوة داخل مصنع الطاقة الشمسية هو ما يحدد تدفق حركة المرور. فعندما تكون الأحجار مرتخية وغير مستقرة، تصاب الإلكترونات بالارتباك وتتكدس في مسار واحد، مما يؤدي إلى إبطاء كل شيء. وعندما تكون الأحجار محكمة وآمنة، تتدفق حركة المرور بشكل أكثر توازنًا. ورغم أن الدراسة لا تدعي أنها حلت لغز كيفية عمل جميع النباتات، إلا أنها تقدم صورة واضحة ومقاسة لكيف يمكن لتغيير بسيط في "الأثاث" الجزيئي أن يعيد تشكيل تدفق الطاقة في النظام الضوئي بالكامل.