Wetenschap - 15 juni 1995

En toen was er licht

En toen was er licht

Moleculaire wetenschappers buigen zich over fotosynthese

Fotosynthese, waarbij planten en bacterien zonlicht omzetten in bruikbare energie, is de basis van het leven op aarde. Hoe de verantwoordelijke eiwitten en kleurstoffen eruit zien, is inmiddels bekend. Maar hoe ze nu zonlicht omzetten in bruikbare energie, is nog steeds een raadsel. Dit bleek tijdens het symposium Photosynthesis, the green engine, waarmee de studierichting Moleculaire wetenschappen haar 25-ste verjaardag vierde.


En toen was er licht, sprak de God van het Oude Testament, net voor de eerste dag. De tweede dag scheidde Hij het water van het land. De derde dag maakte deze God zaadgevend gewas en vruchtbomen. De vierde dag schiep Hij de zon en de sterren. De vijfde dag vormde Hij de grote zeedieren, de vissen en de vogels. En de zesde dag boetseerde Hij wild gedierte, en mensen naar Zijn beeld.

Het Joodse volk zat er met de volgorde niet ver naast, gezien vanuit de westerse wetenschap. Licht is naast zonnewarmte de leverancier van energie op aarde en dat moet er dus eerst zijn. Gebruik makend van water, slaan planten de lichtenergie op in de vorm van suikers, vetten, eiwitten en koolhydraten. En pas als dat gebeurt, waarbij er ook zuurstof vrijkomt, is dierlijk leven mogelijk.

Dit belangrijke levensproces noemt de moderne wetenschap foto-synthese. Rond 1600 concludeerde de Belgische fysicus Jan Baptista van Helmond in een van de eerste nauwkeurig beschreven biologische experimenten, dat planten hun stoffen niet uit de bodem haalden. De dominee Priestly merkte in 1771 dat muizen in een afgesloten kaasstolp blijven leven als er een plant bij was, en stelde dat planten de lucht herstellen. Even daarna ontdekte de Nederlandse fysicus Ingenhousz dat er zonlicht en groene delen voor nodig waren. En in 1930 konden onderzoekers door gasvolumes te meten, de chemische reactie opstellen: zes volume-eenheden kooldioxiden plus twaalf volume-eenheden waterdamp geeft suiker plus zes eenheden zuurstof en zes eenheden waterdamp.

Inmiddels trachten biologen, chemici en fysici de fotosynthese verder op te helderen. Daarnaast proberen technici het proces na te bootsen, en berekenen teeltwetenschappers met fotosynthese-gegevens hoeveel de potentiele opbrengst van een gewas kan zijn. Omdat er zoveel verschillende (sub)disciplines aan fotosynthese werken, koos de studierichting Moleculaire wetenschappen dit onderwerp uit voor een symposium op haar 25-ste verjaardag.

Apparaatje

Hoe het moleculair apparaatje eruit ziet waarmee de plant licht in energie omzet, is goeddeels bekend, zo bleek op het symposium. Het gaat ondermeer om een eiwitcomplex, dat de antenne wordt genoemd, omdat er soms wel duizend ringvormige moleculen in liggen die het zonlicht opvangen. Miljoenen van deze antenne-eiwitten drijven in dicht op elkaar gepakte membranen (vetlagen) in de plantecel. Naast elke antenne ligt een tweede eiwitcomplex, het reactie-centrum, waarin diezelfde ringvormige moleculen de licht omzetten in elektrische lading, zodat een chemische reactie kan plaatsvinden. Deze belangrijke ringvormige moleculen zijn de kleurstoffen of pigmenten. Zij geven de plant hun groene kleur en maken de fotosynthetiserende bacterien paars of geel.

In 1984 verscheen in Nature de eerste driedimensionale tekening van het pigment-eiwitcomplex van een bacterie. Nadat de onderzoekers erin slaagden het eiwit te kristalliseren, konden ze uitrekenen waar welke atomen zitten. De reactie-centra van planten zijn nog niet in detail opgehelderd. Maar een van de twee reactie-centra, foto-systeem 2, lijkt veel op het eiwitcomplex van de bacterie en men verwacht dan ook de structuur hiervan binnen enkele jaren te hebben opgehelderd.

Dat we nu weten hoe de eiwitten met de kleurstoffen eruit zien, betekent echter niet dat nu duidelijk is hoe de energie-omzetting werkt. Tot ieders verdriet heeft die opheldering nog niet zo veel geholpen", stelt moleculair fysicus prof. dr T.J. Schaafsma. Ingrijpen in het DNA leert bijvoorbeeld wel dat sommige bouwstenen van het eiwit essentieel zijn voor de energie-overdracht. Maar waarom is dat zo? Men vermoedt dat trillingen in het eiwit de efficientie van de energie-overdracht belangrijk beinvloeden. Dit is echter uiterst lastig aan te tonen. En ook weet men nog niet hoe nu de kleurstoffen hun lading precies doorgeven. Schaafsma heeft met zijn vakgroep ondermeer geprobeerd de rol van het ijzeratoom in het reactiecentrum te achterhalen.

Wanorde

Wanorde is noodzakelijk voor de dynamiek van de fotosynthese", stelde de fysicus prof. dr R. van Grondelle van de Vrije Universiteit op het symposium. Van Grondelle volgt met een ultra-snelle laser de lichtdeeltjes die over de pigmenten vliegen. Hij meet op bepaalde tijdstippen de trillingsrichting van het weer uitgezonden licht. Zo bepaalt de fysicus de snelheid van de energieoverdracht tussen de pigmenten. Van Grondelle komt uit op snelheden van soms maar enkele honderden femto-seconden.

Dit betekent, theoretisch gesproken, dat er in een seconde iets meer dan een miljoen keer miljoen overdrachten zouden plaatsvinden. Er is echter geen regelmaat in de overdracht te ontdekken. Je moet het zien als een balletje dat over hoge en minder hoge bergjes moet gaan", legt de hoogleraar later uit. Daarbij is niet te voorspellen wanneer ze snel van een bergje afkomen, of wanneer ze weer even stoppen." Maar, relativeert Van Grondelle de onzekerheid, als je gaat meten in micro-seconden of hoger middelt die fluctuatie wel weer uit.

Van Grondelle ziet zeker toepassing van zijn inzichten in andere disciplines. Met zijn experimenten kon hij voorspellen dat in een antenne-eiwit de kleurstoffen in twee cirkels onder elkaar liggen. Twee maanden geleden publiceerden biochemici de structuur in Nature en bleek zijn voorspelling juist te zijn. Onze uitkomsten pasten er precies in. Wel waren we verrast door de hoge mate van symmetrie in de ordening van de pigmenten. En we dachten ook dat het kleinere ringen waren. Maar de grote ring in dit eiwit zou natuurlijk ook toevallig kunnen zijn."

Organische zonnecellen

De vakgroepen Organische chemici en Moleculaire fysica op de LUW trachten de fotosynthese na te bootsen. Zij proberen een organische zonnecel te maken door kleurstofmoleculen (porfyrines) op een bepaalde manier te stapelen op halfgeleidend materiaal (titaanoxide). Misschien moet je zorgen dat in zo'n systeem ook een energetische wanorde is", oppert Van Grondelle.

Maar de Wageningse cellen kenmerken zich nu juist door een nette ordening van kleurstofmoleculen op het geleidend materiaal. Ze hebben niets dat maar lijkt op ongeordende, trillende eiwitten of andere opvallende wanordes die volgens Van Grondelle zo noodzakelijk zijn. Kunnen ze dan wel succes hebben? Schaafsma wil dit niet uitsluiten: In de plant zijn de eiwitten wel ongeordend, maar de kleurstofmoleculen zijn precies geordend. Vergelijk het maar met spaghetti waarin de gehaktballen precies op de goede plek zitten."

Bovendien hoef je niet alles na te bootsen van de natuur, merkt de moleculair fysicus op. In de plant worden bijvoorbeeld de eiwitten en de pigmenten voortdurend vervangen. Een organische cel wil je vijf jaar goed houden. Dit recycling-principe moet je dus niet meenemen, stelt Schaafsma. Maar uit de natuur kun je wel andere belangrijke ideeen opdoen. Het plantaardig systeem is optimaal. Daar heeft de plant gedurende de evolutie ook de tijd voor gehad. Als je weet hoe daarin de orientatie en de onderlinge afstand van de kleurstoffen is, kan dat helpen."

Je ziet ook dat in de plant negentig procent van de kleurstoffen licht opvangt en slechts tien procent dit omzet in chemische energie", vervolgt Schaafsma. Waarom doen ze dat niet allemaal? Omdat de reactiecentra elkaar dan te veel beinvloeden. Natuurlijk, dat lijkt nu logisch, maar je moet eerst wel op het idee komen."

IJskoud

Een bezoek aan de Wageningse vakgroep Plantenfysiologie leert hoe ook zij de fotosynthese trachten op te helderen. Dr ir J.J.S. van Rensen toont in een donker hokje een bak ijskoude vloeibare stikstof en een zwart buisvormig apparaatje. Bovenin dit buisje brengt hij kapot blad of algen. De temperatuur wordt min tachtig graden Celsius gemaakt. Vervolgens richt hij op het mengsel een zwakke lichtbron, zodat de fotosynthese op gang kan komen. We zien op het scherm van de computer dat het plantenprutje bij deze lage temperatuur geen licht terugzendt. Bij deze temperatuur blijft de vrijgemaakte lading hangen", verklaart Van Rensen.

Wanneer we de temperatuur opvoeren zien we op het scherm dat vanaf 25 graden de kleurstoffen ineens licht uitzenden. De lading kan nu doorlopen, maar kan ook terugvallen naar de kleurstoffen. En dat maakt dat ze meer licht terugzenden." Veel teruggezonden licht betekent weinig lichtomzetting in de plant. Door dit te meten, maar ook door bijvoorbeeld spanningen over een membraan te meten (hoe meer spanning, hoe meer foto-synthese), kunnen de eco-fysiologen op de vakgroep de invloed bepalen van herbiciden, vervuilende gassen of andere stressfactoren op de fotosynthese, en daarmee op de plantengroei.

Al deze metingen, maar ook structuuropheldering van eiwitten, bepaling van de base-paren van DNA, metingen in pico-seconden en het voorspellen van optimale produktie met gegevens van fotosynthese zoals de teeltwetenschappers doen, gaan allemaal via de computer. Ik was vroeger met blaadjes bezig en met het isoleren van stoffen", vergelijkt Van Rensen. Studenten van nu zitten de hele dag achter de computer. Ze produceren massa's data en zetten dat in grafiekjes tegen elkaar uit. Maar wat het betekent, weten ze niet altijd."

Re:ageer