كشف أسرار التمثيل الضوئي عند النبات بعد عقود من الغموض

التمثيل الضوئي ولماذا يتدفّق الإلكترون من جانب واحد فقط في النظام البروتيني المتماثل هو لغز طالما حير العلماء، وجاءت دراسة مشتركة بين المعهد الهندي للعلوم (IISc) ومعهد كاليفورنيا للتقنية (Caltech) لتقدم تفسيرًا علميًا دقيقًا لهذه الظاهرة الفريدة؛ العملية التي تحوّل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية ضمن التمثيل الضوئي تظل من أعقد العمليات الحيوية، خاصة مراحلها الأولى التي تتميز بسلسلة معقدة من انتقال الإلكترونات بين صبغات متعددة.

لغز التمثيل الضوئي وتدفّق الإلكترونات من جانب واحد فقط في نظام PSII

نظام التمثيل الضوئي الثاني (Photosystem II – PSII) هو المركب البروتيني الرئيسي في بداية عملية التمثيل الضوئي؛ يقوم بحبس طاقة الشمس وتحليل جزيئات الماء لإطلاق الأكسجين وإرسال إلكترونات عبر سلسلة معقدة من البروتينات. يتكوّن PSII من ذراعين متماثلين، يطلق عليهما D1 وD2، يحتوي كل منهما على جزيئات كلوروفيل وصبغات الفيئوفيتين التي تلعب دورًا محوريًا في نقل الإلكترونات إلى ناقلات معروفة باسم البلاستوكونين. ورغم التماثل الهيكلي بين الذراعين، فإن الإشارات الإلكترونية تتدفق حصريًا عبر فرع D1، بينما يبقى فرع D2 خاملاً، وهذا ما شكل لغزًا طويل الأمد في أوساط الباحثين.

تحليل الطاقة للكشف عن سبب تدفّق الإلكترونات من جانب واحد فقط

اعتمد البحث المنشور في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS) على دمج تقنيات متقدمة تشمل محاكاة الديناميكا الجزيئية وحسابات كوانتية دقيقة، بجانب تطبيق نظرية ماركوس التي حاز عنها جائزة نوبل في نقل الإلكترونات؛ هذه الأدوات مكنّت الفريق من رسم خارطة طاقية مفصلة لحركة الإلكترونات في كلا الذراعين D1 وD2. أظهرت التحليلات أن فرع D2 يمتلك حاجزًا طاقيًا أعلا كثيرا من فرع D1 وبالتحديد في النقلة التي تنتقل فيها الإلكترونات من الصباغ “الفيئوفيتين” إلى البلاستوكونين. حيث يحتاج فرع D2 طاقة تنشيط تعادل ضعف ما يتطلبه فرع D1، مما يجعل عملية انتقال الإلكترونات في D2 غير مجدية من الناحية الطاقية. كما كشفت المحاكاة أن مقاومة فرع D2 لحركة الإلكترونات تفوق مقاومة فرع D1 بمقدار 100 مرة، وهو ما يفسر غياب التدفق الإلكتروني في D2 رغم التماثل البنيوي.

آفاق جديدة لتصميم أنظمة اصطناعية مستوحاة من التمثيل الضوئي الطبيعي

يرى الباحثون أن هذه الفروقات في تدفّق الإلكترونات ناتجة عن اختلافات دقيقة في البيئة البروتينية المحيطة بالصّبغات، حيث يمتلك الكلوروفيل في فرع D1 حالة إثارة طاقية أقل مقارنةً بنظيره في D2، مما يعزز قدرة D1 على جذب ونقل الإلكترونات بكفاءة. وتوضيحًا لذلك، أشارت محاكاة التيار والجهد الكهربائي إلى أن تدفّق الإلكترونات في D2 يواجه مقاومة طاقية عالية لا يمكن تجاوزها من دون تعديل هيكلي. بناء على هذه النتائج، يقترح الباحثون إمكانية استبدال مواقع الصبغات في فرع D2 عبر وضع جزيئات الكلوروفيل مكان الفيئوفيتين، ما قد يقلل حاجز الطاقة ويعيد النشاط الإلكتروني إلى هذا الفرع.

• تحديد السبب الطاقي لعدم نشاط فرع D2 في PSII
• استخدام محاكاة متقدمة لفهم حركة الإلكترونات بشكل دقيق
• اقتراح تعديل مواقع الصبغات لزيادة كفاءة تدفّق الإلكترونات

ويؤكد الأستاذ برابال ك. مايتي من قسم الفيزياء في IISc، أن هذه الدراسة تمثّل خطوة جوهرية لفهم أعمق لعملية التمثيل الضوئي الطبيعي، كما أن تطبيق هذه المعارف يساعد في ابتكار أنظمة صناعية فعالة لتحويل الطاقة الشمسية إلى وقود كيميائي قابل للاستخدام وتطوير حلول مستدامة للطاقة المتجددة. من جهته، يرى البروفيسور بيل غودارد من معهد كاليفورنيا للتقنية، أن هذه الدراسة تمثل نموذجًا متقنًا لدمج نظريات متعددة المستويات في حل مسائل علمية معقدة، مع الإشارة إلى أن بعض جوانب العملية لا تزال تنتظر شرحًا أوفى.