Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि *Synechocystis* sp. PCC 6803 के *menB* वेरिएंट में देशी फिलोक्विनोन को प्लास्टोक्विनोन-9 से बदलने से फॉरवर्ड इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर नाटकीय रूप से धीमा हो जाता है और थर्मोडायनामिक रूप से इलेक्ट्रॉन प्रवाह को फोटोसिस्टम I की A-शाखा के बजाय B-शाखा के माध्यम से होने के लिए अनुकूल बनाता है।
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एक पत्ती के भीतर के दृश्य की कल्पना करें जो एक हलचल भरे, उच्च-तकनीकी बिजली संयंत्र की तरह है। इसका काम सूरज की रोशनी को पकड़ना और इसे बिजली में बदलना है जिसका उपयोग पौधा बढ़ने के लिए कर सकता है। यह प्रक्रिया 'फोटोसिस्टम I' नामक नन्ही फैक्ट्रियों में होती है। इन फैक्ट्रियों को दो समान असेंबली लाइनों, या "शाखाओं" के रूप में सोचें जो अगल-बगल चलती हैं। इन लाइनों पर, इलेक्ट्रॉन (नन्हे आवेशित कण) एक शुरुआती बिंदु से फिनिश लाइन तक दौड़ते हैं, ठीक वैसे ही जैसे रिले रेस में धावक दौड़ते हैं। आमतौर पर, ये इलेक्ट्रॉन 'कोफैक्टर' नामक विशेष स्टेपिंग स्टोन्स (कदम रखने वाले पत्थरों) के बीच कूदते हैं। एक स्वस्थ पौधे में, सबसे महत्वपूर्ण स्टेपिंग स्टोन्स 'फिलोक्विनोन' नामक एक विशिष्ट अणु से बने होते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात पर बहस कर रहे हैं कि दोनों में से कौन सी असेंबली लाइन "मुख्य" है और कौन सी "बैकअप", लेकिन यह देखना कठिन रहा है कि वास्तव में क्या हो रहा है क्योंकि इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ी से चलते हैं—इतनी तेज़ी से कि एक कैमरा भी उनकी तस्वीर नहीं खींच पाता।
यह अध्ययन साइनोबैक्टीरिया (सूक्ष्म, पौधे जैसे जीवों) के एक विशिष्ट समूह पर ध्यान केंद्रित करता है जिनका 'निर्देश मैनुअल' टूटा हुआ है। एक गायब जीन के कारण, वे अपने सामान्य फिलोक्विनोन स्टेपिंग स्टोन्स नहीं बना सकते। इसके बजाय, उन्हें एक अलग, थोड़े अधिक अनाड़ी अणु का उपयोग करने के लिए मजबूर किया जाता है जिसे 'प्लास्टोक्विनोन' कहते हैं। इस बदलाव ने इलेक्ट्रॉनों की गति को नाटकीय रूप रूप से धीमा कर दिया है, जिससे एक बिजली जैसी तेज़ दौड़ एक धीमी सैर में बदल गई है। इस दौड़ को धीमा करके, वैज्ञानिक अंततः इलेक्ट्रॉनों की गति को "देख" सके और यह पता लगा सके कि दोनों असेंबली लाइनें काम को कैसे साझा कर रही हैं। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि प्रकृति कैसे इतने कुशल सौर पैनल बनाती है, इसे समझने से हमें अपने स्वयं के उपयोग के लिए बेहतर कृत्रिम सौर सेल और बैटरी डिजाइन करने में मदद मिल सकती है।
शोधकर्ताओं ने इन "टूटे हुए" बैक्टीरिया के दो अलग-अलग संस्करणों पर करीब से नज़र डालने का फैसला किया। एक संस्करण में प्रतिस्थापन अणु का एक ढीला, डगमगाता हुआ रूप था (मान लीजिए कि इसे "लूज़ टीम" कहा जाए), और दूसरे में एक ऐसा संस्करण था जो अपनी जगह पर मजबूती से फिट बैठता था (इसे "टाइट टीम" कहा जाए)। वे यह देखना चाहते थे कि क्या अणु का ढीलापन यह बदल देता है कि इलेक्ट्रॉन अपना रास्ता कैसे चुनते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्होंने 'प्रोटियोलिपोसॉम्स' नामक नन्हे, कृत्रिम बुलबुले बनाए और उन पर बैक्टीरिया की फोटोसिस्टम फैक्ट्रियां चिपका दीं। फिर, उन्होंने फैक्ट्रियों पर प्रकाश की एक सुपर-फास्ट फ्लैश मारी और बुलबुले की त्वचा के पार कूदने वाली नन्ही विद्युत चिंगारी को मापा।
उन्हें यह पता चला: "टाइट टीम" में, इलेक्ट्रॉन एक अनुमानित लय के साथ चलते थे। लगभग 60% इलेक्ट्रॉनों ने तेज़ ट्रैक (एक शाखा जिसे हम B-ब्रांच कहेंगे) लिया जो लगभग 5 माइक्रोसेकंड में पूरा हुआ, जबकि अन्य 40% ने थोड़ा धीमा रास्ता (A-ब्रांच) लिया जो लगभग 30 माइक्रोसेकंड में पूरा हुआ। हालाँकि, "लूज़ टीम" में कहानी बदल गई। इलेक्ट्रॉन और भी धीमे हो गए। तेज़ ट्रैक ने लगभग 10 माइक्रोसेकंड लिया, और धीमा ट्रैक लगभग 100 माइक्रोसेकंड तक खिंच गया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह थी कि संतुलन बदल गया। लूज़ संस्करण में, 70% इलेक्ट्रॉनों ने B-ब्रांच को चुना, जबकि केवल 30% ही A-ब्रांच की ओर गए।
वैज्ञानिकों का सुझाव है कि यह बदलाव इसलिए होता है क्योंकि ढीला अणु A-ब्रांच को एक डेड एंड (बंद रास्ता) बना देता है। यह ऊर्जा के दृष्टिकोण से कठिन हो जाता है कि एक इलेक्ट्रॉन A-ब्रांच के स्टेपिंग स्टोन से अगले स्टेशन तक कूदे, इसलिए इलेक्ट्रॉन स्वाभाविक रूप से इससे बचते हैं और B-ब्रांच में जमा हो जाते हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे यदि एक पुल के एक तरफ एक बड़ा गड्ढा हो, तो अधिकांश कारें उस झटके से बचने के लिए स्वाभाविक रूप से दूसरे किनारे की ओर मुड़ जाएंगी। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन उत्परिवर्तित (म्यूटेंट) बैक्टीरिया में, इलेक्ट्रॉन प्रवाह भारी रूप से पुनर्वितरित हो जाता है, जिसमें B-ब्रांच लगभग सारा भारी काम करती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या वे लूज़ अणुओं को एक अलग रसायन के साथ बदलकर सिस्टम को ठीक कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि "टाइट टीम" जिद्दी थी; नया रसायन मूल अणु को बाहर नहीं धकेल सका। लेकिन "लूज़ टीम" लचीली थी; नया रसायन आसानी से कब्जा कर गया, और इलेक्ट्रॉन की गति फिर से बदल गई। इससे सिद्ध हुआ कि विशिष्ट प्रकार का अणु और वह कितनी मजबूती से पकड़ा गया है, यही नियंत्रित करने की कुंजी है कि इलेक्ट्रॉन कौन सा रास्ता लेंगे।
संक्षेप में, यह शोध पत्र दिखाता है कि सौर फैक्ट्री के भीतर स्टेपिंग स्टोन्स की स्थिरता यातायात के प्रवाह को निर्धारित करती है। जब पत्थर ढीले और अस्थिर होते हैं, तो इलेक्ट्रॉन भ्रमित हो जाते हैं और एक लेन में फंस जाते हैं, जिससे सब कुछ धीमा हो जाता है। जब पत्थर टाइट और सुरक्षित होते हैं, तो यातायात अधिक समान रूप से चलता है। हालांकि यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने यह रहस्य सुलझा लिया है कि सभी पौधे कैसे काम करते हैं, लेकिन यह एक स्पष्ट, मापा हुआ चित्र प्रदान करता है कि कैसे आणविक "फर्नीचर" में एक छोटा सा बदलाव फोटोसिस्टम में ऊर्जा के प्रवाह को पूरी तरह से नया आकार दे सकता है।
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