Fotosynthese, het proces dat in planten lichtenergie omzet in chemische energie, is cruciaal voor het leven van de plant (en uiteindelijk dat van onszelf) en wordt daarom intensief bestudeerd door biologen, scheikundigen en natuurkundigen. In zogeheten ‘vaatplanten’, planten die een systeem van vaatbundels hebben waarmee water en mineralen getransporteerd worden, spelen de lichtafhankelijke fotosynthesereacties zich af in een membraan in het bladgroen van de plant dat het thylakoïde-membraan heet.

Tussenliggend regime

Het thylakoïde-membraan heeft een structuur op een lengteschaal die vergelijkbaar is met de golflengte van zonlicht. Het werd recent duidelijk dat, als gevolg van deze nanostructuur, de opname van licht in het membraan niet eenvoudigweg beschreven kan worden door het invallende licht te modelleren met de optica van rechte lichtstralen. Het golfkarakter van het licht speelt een cruciale rol, en een volledige golfbeschrijving is daarom nodig.

Een team van onderzoekers, geleid door UvA-natuurkundige dr. Antonio Capretti, werkzaam in de Optoelectronic and Nanophotonic Materials-groep van prof. dr. Tom Gregorkiewicz, en ondersteund door de Solardamsubsidie van UvA en VU, heeft nu in samenwerking met nog een Solardam-postdoc, dr. Drew Ringsmut uit de groep van prof. dr. Roberta Croce van de VU, dit open vraagstuk over fotosynthetische systemen bestudeerd. Het team slaagde erin om te bewijzen dat er een tussenliggend regime van energieoverdracht bestaat, tussen de macroscopische lichtoverdracht en de excitatie-energie op de veel kleinere schaal van eiwitten.

Tegenintuïtief

Het nieuw ontdekte regime op de nanoschaal werd grondig gekarakteriseerd, waardoor kon worden aangetoond dat het thylakoïde-membraan inderdaad over nanofotonische functionaliteit beschikt. Een belangrijke rol in die functionaliteit is weggelegd voor de ‘grana’ in het membraan – kleine opeenstapelingen van nanometers grote laagjes die met het invallende licht wisselwerken; zie afbeelding 1. De onderzoekers ontdekten dat, als gevolg van de structuur in het membraan en de natuurlijk wisselende belichting, de lichtverdeling in het bladgroen zich ontwikkelt op een onverwachte en erg tegenintuïtieve manier. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Nature – Light: Science & Applications.

Referentie

Nanophotonics of higher-plant photosynthetic membranes, A. Capretti, A. K. Ringsmuth, J. F. van Velzen, A. Rosnik, R. Croce en T. Gregorkiewicz. Light: Science & Applications, volume 8, article 5 (2019).