Groene zwavelbacteriën zijn extreem efficiënt in het opvangen van lichtenergie. Dit is ook nodig, omdat deze micro-organismen over het algemeen maar een paar lichtdeeltjes (fotonen) per dag zien. De bacteriën leven onder andere op 100 meter diepte in de Zwarte Zee. Zij vangen het schaarse licht op met speciale structuren, chlorosomen genaamd. Elk chlorosoom bevat zo’n 250.000 lichtgevoelige moleculen. Vanwege zijn efficiëntie staat de groene zwavelbacterie al jarenlang in de belangstelling bij wetenschappers.

Links: De groene zwavelbacterie Chlorobaculum tepidum, de lichte ovale structuren zijn chlorosomen. Rechts: Twee detailopnames van een geïsoleerd chlorosoom van de mutant bacterie.

Donald Bryant (Penn State University), PNAS

Moleculen als matroesjka’s

Helaas is het chlorosoom van de bacterie heel moeilijk te bestuderen. De lichtgevoelige moleculen zijn niet uniform in grootte, vorm en structuur. Bovendien heeft ieder chlorosoom een unieke organisatie. De onderzoekers wisten een mutant te maken met een standaard interne structuur. Zowel uit deze mutant als uit de standaard bacterie isoleerden zij chlorosomen om deze met behulp van gedetailleerde microscopie verder te bestuderen.

De clusters lichtopvangende moleculen die in het chlorosoom liggen, hebben de vorm van nanobuisjes. Al die buisjes passen precies in elkaar, net als Russische matroesjka’s. Er is een verschil tussen de mutant bacterie en de standaardvorm. De eerste heeft maar één set buisjes, terwijl in de standaard bacterie verschillende buizenseries voorkomen. Door de chlorosomen bloot te stellen aan een magnetisch veld kun je diep in de structuur rond kijken, op het niveau van losse moleculen.

Een moleculair model van de lichtopvangende moleculen in een chlorosoom. De groene sprietjes zijn individuele moleculen. Clusters van deze moleculen zijn gerangschikt als nanobuisjes. Al die buisjes passen vervolgens precies in elkaar, net als Russische matroesjka’s.

Donald Bryant (Penn State University), PNAS

Moleculaire warboel

Een individueel lichtopvangend molecuul is een dimeer met een lange, hydrofobe staart. De losse moleculen binden aan elkaar en komen daardoor in helix spiralen in het chlorosoom te liggen. De oriëntatie van de moleculen verschilt tussen de mutant en de standaard bacterie. In het chlorosoom van de mutant bacterie heerst orde. Toch groeit de standaard zwavelbacterie onder iedere lichtintensiteit beter dan de mutant. Het lijkt raar dat een geordend systeem minder goed werkt dan een warboel, maar de onderzoekers hebben hier een logische verklaring voor.

Groene zwavelbacteriën zien niet alleen weinig lichtdeeltjes langskomen, zij hebben ook maar een paar nanoseconden de tijd om de fotonen op te nemen. Als de lichtopvangende moleculen allemaal netjes gerangschikt zijn, gaat een lichtdeeltje overal langslopen. Dat kost veel tijd. In de standaard bacterie komt een opgevangen foton direct terecht in een afgezet domein. Het lichtdeeltje kan niet overal heen migreren en komt zo sneller op zijn bestemming aan.

Individuele lichtopvangende moleculen zijn in deze afbeelding groen en oranje. Binding tussen de moleculen zorgt ervoor dat ze in een helix spiraal in het chlorosoom komen te liggen.

Donald Bryant (Penn State University), PNAS

Trucje afkijken

Waarom is de structuur van de groene zwavelbacterie nou zo interessant om in detail uit te pluizen? We kijken bij de bacteriën een trucje af om superefficiënte artificiële systemen te ontwikkelen. De onderzoekers denken dan bijvoorbeeld aan een systeem dat zonne-energie omzet in elektrische energie.

Bronnen

Zie ook

Chemische fossielen als klimaatverklikkers (Kennislinkartikel van Natuurwetenschap en Techniek)