Szegeden Petar Lambrev, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Növénybiológiai Intézet Fotoszintetikus Membrán Csoportjának tudományos főmunkatársa vezetésével számos fotobiológiai – a fény és az élő szervezet anyagainak kapcsolatával foglalkozó – kísérletet hajtanak majd végre az ELI-ALPS lézerközponttal együttműködve. A részletekről Petar Lambrevet kérdeztük.

A közel 300 millió forinttal támogatott programjukban multifunkcionális femtobiológiai munkaállomás kifejlesztésére és fényindukált biológiai folyamatok vizsgálatára vállalkoztak néhány ciklusú spektroszkópiai módszerekkel. Miről szól a kutatásuk? – Munkacsoportunk a fotoszintézis elsődleges folyamatait tanulmányozza. A földi életet a fotó szintézis (kémiai formává alakított napenergia) tartja fenn: a fotó szintetikus szervezetek a napenergiát hasznosítják a szén-dioxid szerves anyaggá alakítására, ami pedig a hetero trófok táplálékforrása – az egysejtű mikroorganizmusoktól az emberekig. 2050-re a világ népessége várhatóan eléri a 9,8 milliárdot; ez, a növekvő jövedelem és a táplálkozási szokások változása mellett, több mint 50 százalékkal megnöveli a globális élelmiszer-keresletet, miközben a mezőgazdasági termőterület nagysága nem, vagy alig bővíthető. Az élelmiszer-termelés növelése a földhasználat bővítése nélkül azt jelenti, hogy meg kell találnunk a termés hozamok vagy a fotoszintetikus energia hatékonyság emelésének módjait. Ismert emellett, hogy egyetlen nap alatt a bolygó felületére érkező napenergia mennyisége meghaladja az éves szükségletünket, és a fotó szintetikus organizmusok – a mintegy három milliárd éves evolúciójuknak köszönhetően – ennek hasznosítására a leg változatosabb környezeti feltételek mellett kész megoldásokat kínálnak. Mindkét végső cél – a természetes fotoszintézis hatékonyságának növelése és napenergia-konvertáló eszközök fejlesztése – a fotoszintetikus reakciók mély és részletes megértését igényli. Ennek érdekében molekuláris és atomi szintre kell hatolnunk – a klasszikus fizika és a kvantummechanika világa közötti rejtélyes határ régióban kell keresnünk a megoldást. A jelenségek kísérleti feltárása és ezek elméletének kidolgozása – a szerkezetek rendkívüli komplexitása miatt – hihetetlenül nagy kihívást jelent. Melyek a fotoszintézis elsődleges folyamatai? – Vegyük például a fotó szintézis első lépéseit – attól a pillanattól kezdve, hogy egy fénykvantum (foton) elnyelődik egy fotoszintetikusan aktív molekulában, jellemzően klorofillban, a növények zöld pigmentjében. A fotonenergia elnyelésének folyamata – a klorofillmolekulák elektronjainak magasabb energiaállapotba való gerjesztése – femto szekundumok (10–15 másodperc) alatt történik. A gerjesztési energia (szub)piko szekundumok (10–12 másodperc) alatt, több száz klorofill mo lekula bonyolult hálózatán keresztül terjed, majd átadódik a fotokémiai reakció centrumoknak, ahol primer töltés szétválasztás révén megkezdődik az energia kémiai energiává alakításának sok lépcsős folyamata – ennek eredményeként ezek a parányi egységek előállítják a szén-dioxid cukrokká alakításához szükséges redukáló erőt és energiát hordozó molekulákat, miközben az elektronok vízből való kivonásával molekuláris oxigént termelnek. Fél évszázaddal ezelőtt olyan tudósok, mint Bay Zoltán és Szent-Györgyi Albert úgy gondolták, hogy ezekben a rendszerekben az elektron mozgások különböző kvantum hatásokat mutatnak: a gerjesztett elektronok egyidejűleg különböző molekulákban vannak jelen, dinamikus kvantumkoherenciát hozva létre. Ezeknek az ultragyors folyamatoknak a valós idejű megfigyelése azonban csak az utóbbi egy-két évtizedben lett lehetséges – olyan ultra rövid impulzusú lézer technológiák megjelenésével és gyors fejlődésével, mint a csörpölt impulzuserősítés, amelyért Gérard Mourou és Donna Strickland megosztva nyerték el a 2018-as fizikai Nobel-díjat. Miről szól a kollaborációs projektjük? – Felismerve azokat az egyedülálló lehetőségeket, amelyeket az ELI-ALPS nyújt az ultragyors fotobiológiai folyamatok tanulmányozásához, csoportunk együtt működést alakított ki a lézer központtal.

Ennek keretében elsősorban más módszerekkel nem hozzá férhető tudományos kérdések megválaszolását tűztük ki célul.

A Nemzeti Kiválósági Program (NKFIH-NKP) támogatását elnyerve az SZBK Biofizikai Intézet Femto biológiai kutatócsoportjával és a Pécsi Tudomány egyetemmel (PTE) közösen femto biológiai munka állomásokat hozunk létre a több dimenziós optikai spektroszkópia (MDOS) és a tera hertz (THz) spektroszkópia felhasználásával.

Az MDOS kifejlesztésének döntő hányadát az SZBK vállalta, míg a THz spektroszkópiai mérések a PTE munkatársai és az SZBK Femto biológiai Kutató csoportja által kifejlesztett berendezéseken valósulhatnak majd meg. Az MDOS jelenleg a leghatékonyabb technológia család a kvantum koherencia és az energia átadás megfigyelésére 100 femto szekundumos időtartomány alatt. A hagyományos ultra gyors optikai spektroszkópiai módszereknél érvényesül a frekvencia–idő transzformációs határ. Ez azt jelenti, hogy ha a lézerimpulzus meghatározott frekvenciával rendelkezik (foto nenergia), akkor szükségszerűen az impulzus ideje nem határozható meg, és fordítva. Az MDOS „kijátssza” ezt a határ értéket – olyan spektrálisan széles impulzusokkal generált jelek idő tartománybeli rögzítésével, amelyek elvben atto szekundumosak is lehetnek.

Az ELI-ALPS-ban előállított THz lézerimpulzusok új kísérleteket is lehetővé tesznek, például a kvantum szabályozást, amelyben a rendszert meg határozott kvantum állapotokba lehet irányítani.

Ez egyaránt izgalmas a fotóbiológiát kísérletileg kutató és a biológiai kvantum számításokat végző kutatók számára.

Mivel az ELI-ALPS egy felhasználói létesítmény, a munka állomások nyitva állnak a teljes tudományos közösség számára – így az általunk építendő femto biológiai munka állomások is fogadni tudnak majd felhasználókat, miközben az SZBK és a PTE kutatói maguk is ezeken a berendezéseken végzik kísérleteiket, első sorban foto szintetikus és/vagy mesterséges, bio inspirált molekuláris rendszereken. Ugyanakkor az SZBK, a PTE és az ELI-ALPS kiterjedt együttműködési hálózatait szeretnénk kiterjeszteni a foto biológia és az „atto tudományok” kapcsolatának kiépítésével. Ebben a vállalkozásban az első és legfontosabb kulcs a sikerhez: az együttműködés és a csoportmunka.

A pumpa frekvencia, amely az impulzusok közötti τ idő Fourier-transzformációja, megfelel az ezen állapotok energiájának.

Egy változó T várakozási idő után egy próba impulzus „megfigyeli” a rendszert.

A foton visszhangjel frekvenciája megfelel a végső gerjesztett állapot energiájának.

A T várakozási idő alatt a rendszer az egyik energia állapotból egy másikba térhet át. A 2D

spektrum egy térkép, amely a pumpa és a próba frekvenciákat korrelálja. Az átlón kívüli csúcsok a rendszer T várakozási idő alatti energia szintek (illetve pigmentmolekulák) közötti átmeneteit ábrázolják.

Forrás: Innotéka - 2019.07.31. (18,19. oldal)