Các nhà nghiên cứu đã 'can thiệp' vào các giai đoạn sớm nhất của quá trình quang hợp, cỗ máy tự nhiên cung cấp năng lượng cho phần lớn sự sống trên Trái đất và khám phá ra những cách mới để khai thác năng lượng từ quá trình này nhằm tạo ra nhiên liệu sạch và năng lượng tái tạo.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế bao gồm các nhà vật lý, hóa học và sinh học, do Đại học Cambridge dẫn đầu, đã có thể nghiên cứu quá trình quang hợp, quá trình mà thực vật, tảo và một số vi khuẩn chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng trong các tế bào sống với khoảng thời gian cực nhanh: Một phần triệu của một một phần triệu giây.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng quang hợp có những bí mật cần tiết lộ. Bằng việc sử dụng các kỹ thuật quang phổ cực nhanh để nghiên cứu sự chuyển động của năng lượng, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy các chất hóa học có thể trích xuất các electron từ các cấu trúc phân tử chịu trách nhiệm cho quá trình quang hợp ở giai đoạn ban đầu.

Việc 'tua lại' quá trình quang hợp này có thể cải thiện cách xử lý năng lượng dư thừa của quá trình, đồng thời tạo ra những cách thức mới và hiệu quả hơn để sử dụng năng lượng. 

Tiến sĩ Jenny Zhang từ Khoa Hóa học Yusuf Hamied của Cambridge, người điều phối nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi không biết nhiều về quang hợp như chúng tôi nghĩ, và con đường truyền điện tử mới mà chúng tôi tìm thấy ở đây là hoàn toàn đáng ngạc nhiên”.

Mặc dù quang hợp là một quá trình tự nhiên, nhưng các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu cách sử dụng quá trình này để giúp giải quyết khủng hoảng khí hậu, ví dụ như bằng cách bắt chước các quá trình quang hợp để tạo ra nhiên liệu sạch từ ánh sáng mặt trời và nước.

Zhang và các đồng nghiệp ban đầu đang cố gắng tìm hiểu tại sao một phân tử hình vòng được gọi là quinone lại có thể 'đánh cắp' các electron từ quá trình quang hợp. Quinone rất phổ biến trong tự nhiên và chúng có thể nhận và cho đi các electron một cách dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ hấp thụ thoáng qua cực nhanh để nghiên cứu cách thức hoạt động của quinon trên vi khuẩn lam quang hợp.

Zhang cho biết: “Chưa ai nghiên cứu đúng cách phân tử này tương tác với các bộ máy quang hợp ở thời điểm ban đầu của quá trình quang hợp như vậy: chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi chỉ đang sử dụng một kỹ thuật mới để xác nhận những gì chúng tôi đã biết. Thay vào đó, chúng tôi đã tìm ra một con đường hoàn toàn mới và mở hộp đen của quá trình quang hợp xa hơn một chút”.

Sử dụng quang phổ cực nhanh để theo dõi các electron, các nhà nghiên cứu phát hiện ra khung protein nơi diễn ra các phản ứng hóa học ban đầu của quá trình quang hợp bị "rò rỉ", cho phép các electron thoát ra. Sự rò rỉ này có thể giúp thực vật tự bảo vệ mình khỏi bị hư hại do ánh sáng chói hoặc thay đổi nhanh.

Tomi Baikie, từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết: "Thông thường, chúng tôi làm việc trên các vật liệu có trật tự cao, nhưng việc quan sát sự vận chuyển điện tích qua các tế bào mở ra những cơ hội đáng chú ý cho những khám phá mới về cách vận hành của tự nhiên”.

"Vì các electron từ quá trình quang hợp được phân tán trong toàn bộ hệ thống, điều đó có nghĩa là chúng ta có thể tiếp cận chúng. Thực tế là chúng tôi không biết con đường này tồn tại thật thú vị, bởi vì chúng tôi có thể khai thác nó để khai thác thêm năng lượng cho năng lượng tái tạo”, Tiến sĩ Laura Wey, người đã thực hiện công việc tại Khoa Hóa sinh, và hiện đang làm việc tại Đại học Turku, Phần Lan chia sẻ.

Các nhà nghiên cứu cho biết việc có thể trích xuất các điện tích ở thời điểm sớm hơn trong quá trình quang hợp, có thể làm cho quá trình này hiệu quả hơn khi điều khiển các con đường quang hợp để tạo ra nhiên liệu sạch từ Mặt trời. Ngoài ra, khả năng điều chỉnh quang hợp có nghĩa là cây trồng có thể chịu đựng được ánh sáng mặt trời gay gắt hơn.

Zhang cho biết: “Nhiều nhà khoa học đã cố gắng trích xuất các electron từ thời điểm sớm hơn trong quá trình quang hợp, nhưng điều đó là không thể vì năng lượng bị chôn vùi trong khung protein. Việc chúng tôi có thể đánh cắp chúng ở một quy trình sớm hơn thật đáng kinh ngạc. Lúc đầu, chúng tôi nghĩ rằng mình đã phạm sai lầm: phải mất một thời gian chúng tôi mới tự thuyết phục được mình đã làm được”.

Chìa khóa của khám phá này là việc sử dụng quang phổ cực nhanh, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi dòng năng lượng trong các tế bào quang hợp sống ở thang đo femto giây, một phần nghìn của một phần nghìn tỷ giây.

Giáo sư Christopher Howe từ Khoa Hóa sinh cho biết: “Việc sử dụng các phương pháp cực nhanh này đã cho phép chúng tôi hiểu thêm về các sự kiện ban đầu trong quá trình quang hợp, điều mà sự sống trên Trái đất phụ thuộc vào”.

Mỹ Linh