Stroom afgetapt van bladgroenkorrels van planten

Biologie Planten gebruiken zonlicht om te groeien. In dit proces hebben onderzoekers een lek gevonden waar elektronen weglekken.

Chloroplasten (groen) in cellen.
Chloroplasten (groen) in cellen.

Foto Getty Images

De aloude chemische fotosynthese reactie is gehackt, zo blijkt uit een onderzoek dat deze week is verschenen in Nature. Bij fotosynthese worden water en koolstofdioxide door zonlicht omgezet in glucose en zuurstof. Dat gebeurt in chloroplasten (bladgroenkorrels) in cellen. Hierdoor kunnen planten groeien en blijven ze in leven. Voor alle stapjes gedurende de fotosynthese is energie in de vorm van elektronen nodig. „Er lekken in dat hele proces echter altijd elektronen weg”, stelt Jenny Zhang, chemicus aan Cambridge University en co-auteur van de publicatie. „Maar we hebben nooit kunnen achterhalen waar ze precies weglekken.”

Hoewel fotosynthese een natuurlijk proces is, wordt er veel onderzoek gedaan naar hoe kunstmatige fotosynthese kan worden gebruikt om duurzame energie te verkrijgen uit zonlicht en water. Met dat doel onderzocht Zhang in het lab hoe organische chinon-moleculen elektronen kunnen stelen uit het fotosyntheseproces. Het verlies van elektronen zou de energieproductie immers remmen: „Elektronen hechtten zich aan chinon-moleculen, en terwijl we de moleculen volgden gedurende de fotosynthese in cellen van blauwalgen, zagen we per toeval een ‘groot’ lek waar veel elektronen de cel verlieten.” Dit hele proces werd bekeken door een geavanceerde fotospectrometer die de processen in fotosynthesecellen bekijkt nadat zij geraakt zijn door zonlicht. Het lekken van de elektronen duurde een paar picoseconden, een miljoenste van een miljoenste van een seconde.


Lees ook: Het rommelige proces van de fotosynthese

Omleiden van elektronen

De meeste planten en andere organismen die aan fotosynthese doen ontvangen te veel zonlicht, stelt Zhang. Een teveel aan zonlicht betekent een overschot aan elektronen. Zo ontstaan vrije radicalen die eiwitstructuren in planten en algen kapotmaken. „Het lek dat wij vonden lijkt een mechanisme van het organisme om om te gaan met een overschot aan zonlicht”, stelt Zhang. „Gaaf, maar we kunnen dit inzicht ook gebruiken om duurzame energie efficiënter op te wekken.”

Neem groene waterstof, dat gebruikt kan worden als duurzame brandstof. Deze waterstof ontstaat doordat fotonen uit het zonlicht verbindingen in watermoleculen verbreken. Hierbij ontstaan zuurstof, waterstof-ionen en elektronen. De waterstof-ionen kunnen reageren met elektronen, waarbij waterstofgas ontstaat. Dit proces kan worden versneld met de lekkende elektronen die Zhang en haar collega’s ontdekten.

Bomvol energie

Omdat de lekkende elektronen aan het begin van de fotosynthese gevonden zijn, zitten ze nog bomvol energie. „Als we dit energie-overschot terugleiden naar waterstof-ionen, kun je meer waterstofgas maken, zonder extra energie aan dit proces toe te voegen”, stelt Zhang. De gelekte elektronen kunnen ook gebruikt worden voor andere stapjes in de fotosynthese, zoals voor het omzetten van koolstofdioxide uit de atmosfeer in glucose dat fungeert als voeding voor organismen en tegelijkertijd als koolstofopslag.

De nieuwe omleidingen zullen niet van vandaag op morgen gerealiseerd zijn, vertelt Zhang: „Daar moeten we echt nog onderzoek naar doen, maar het biedt zeker mogelijkheden.”