Hvilken farve har klorofyl i virkeligheden og hvorfor kan det være vigtigt i energidebatten?

IFAs Christina Kjær, Bjarke Pedersen, Mark Stockett og Steen Brøndsted Nielsen er kommet et skridt videre med at isolere klorofylmolekylet, så dets grundliggende spektrum kan studeres. I The Journal of Physical Chemistry i december 2016 fortæller de om de nye resultater, som er en opfølgning på to nylige artikler publiceret i det velansete tidsskrift Angewandte Chemie (i 2015 og 2016).

30.11.2016 | Ole J. Knudsen

I planter finder man klorofyl a og b.

Klorofylmolekylerne (der findes to varianter i grønne planter) omsætter sollys til den energi, som planterne lever af, og den proces er langt mere effektiv - op imod 95% udnyttelse -, end nogen af de metoder, vi teknologisk kan konvertere energi med. Kan vi lure naturen kunsten af, vil der være enorme muligheder her, ud over den grundvidenskabelige nysgerrighed.

 Det debatteres heftigt for tiden, hvilken mekanisme, som er den fremherskende for energitransport mellem klorofylmolekyler i fotosynteseproteiner. Én model er en proces, hvor energien hopper mellem klorofyl, hver gang til en lavere energitilstand, inden reaktionscenteret nås (svarer til at gå ned af en trappe, idet den potentielle energi falder for hvert trin der tages). En anden model beskriver transporten som et ikke-trivielt kvantefænomen, hvor alle klorofylmolekylerne hænger sammen elektronisk. For at afgøre debatten er det nødvendigt at studere enkelte eller få klorofylmolekyler; dvs. fastlægge den anslåede energi af et enkelt klorofyl, mutters alene i verden (Angew. Chem. i 2015), koblingen mellem to (Angew. Chem. i 2016) og flere klorofyl, og hvor meget et proteinmikromiljø kan påvirke energitilstanden (de nyeste resultater).


Et stort problem ved studiet af klorofyl er, at molekylet aldrig optræder alene i naturen. Der er bundtet mange molekyler sammen i en meget indviklet og uigennemskuelig proteinstruktur.De grå strukturer på billedet til venstre er alle sammen enkelte klorofylmolekyler i klorofylkomplekset for ærter. Til højre 3D strukturen for Klorofyl b.

 

Forskergruppen på IFA er derfor startet "nedefra", og det er lykkedes at isolere de to molekyler klorofyl a og b, at hægte en ladning på de enkelte molekyler et sted, hvor det næsten ikke påvirker selve molekylets spektrum, og at spraye molekylerne som en tynd gas ind i et vacuumkammer, hvor den spektroskopiske analyse så foretages med laserlys og massespektrometri.

Metoden gør det muligt at bestemme klorofylmolekylernes grundliggende parametre i en (næsten) upåvirket tilstand. Ladede klorofylmolekyler i en methanolopløsning sprayes fra venstre ind i vacuumkammeret, hvor molekyler med den rigtige masse selekteres og bestråles med en laser.

 Strukturen af klorofyl ligner lidt en fluesmækker, hvor de vigtigste mekanismer foregår i 'smækkeren'. Det er nødvendigt at give molekylerne en elektrisk ladning for at kunne håndtere dem i sprayenheden. Hvis man hægter en lille elektrisk ladet molekylgruppe på "håndtaget" viser det sig, at ændringen i spektret, som ønsket, er minimal. Med den påvirkning isoleret har forskerne så "plantet" en anden molekylstump på "smækkeren", og her ser man en langt kraftigere påvirkning i form af en forskydning af molekylspektret. Tolkningen af forsøgene er, at det er i den ende af molekylet, de vigtige processer foregår, og at de har en størrelsesorden, som kan forklare i hvert fald tendensen for den påvirkning, som sker med klorofylet når det bindes op i de store proteinstrukturer.

 "Rent" klorofyl er mere blågrønt, end den klare grønne farve, vi ser hen over en frisk græsmark. Forskellen skyldes samspillet imellem molekylerne men i særdeleshed hvad der binder direkte til den fotoaktive den af molekylet, og det er det samspil, som nu skal studeres nærmere.

Et vigtigt næste skridt vil være at måle isolerede klorofylmolekylers lysudsendelse, da det muliggør studier af større og mere komplekse systemer. Det kan Steen Brøndsted Nielsens forskerhold gøre med et nyligt bygget instrument LUNA (LUminescence iNstrument in Aarhus).

Artiklen i The Journal of Physical Chemistry kan findes her

Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende, Institut for Fysik og Astronomi