Các sinh vật quang hợp thu nhận ánh sáng hiệu quả đến mức nào? Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kính hiển vi hấp thụ chuyển tiếp siêu nhanh với độ nhạy tiệm cận mức một phân tử.

Thực vật và vi khuẩn quang hợp có nhiều loại “ăng-ten” thu nhận ánh sáng khác nhau, trong đó các phân tử sắc tố được sắp xếp chính xác để tận dụng năng lượng ánh sáng một cách hiệu quả. Tuy nhiên, các cấu trúc phân tử này không hoàn toàn đồng nhất mà thay đổi từ hạt này sang hạt khác do biến dạng cấu hình và dao động. Những biến thiên cấu trúc như vậy được cho là làm nhiễu các trạng thái kích thích và các quá trình truyền năng lượng do hấp thụ ánh sáng khởi phát.

Vì các động học kích thích ban đầu này khởi động một chuỗi phản ứng quang hóa của quang hợp, nên việc hiểu rõ tác động của các dao động và tính không đồng nhất là rất quan trọng để làm sáng tỏ cách các sinh vật quang dưỡng duy trì quá trình quang hợp hiệu quả và ổn định.

Để phân tích những dao động và tính không đồng nhất này, phổ huỳnh quang ở mức phân tử đơn đã được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, phương pháp dựa trên huỳnh quang gặp những hạn chế cơ bản khi quan sát các quá trình siêu nhanh, đa bước, cũng như các trạng thái “tối” không phát huỳnh quang và các loài gốc tự do.

Ngược lại, phổ hấp thụ chuyển tiếp có thể theo dõi động học kích thích — bao gồm sự thư giãn trạng thái kích thích và truyền năng lượng — trên thang thời gian femto giây. Tuy nhiên, cho đến nay, việc nâng cao độ nhạy của kỹ thuật này đến mức một phân tử vẫn là một thách thức lớn.

Đột phá kỹ thuật này được kỳ vọng sẽ mở ra cánh cửa giúp hiểu sâu hơn về các cơ chế điều hòa trong các hệ quang hóa của quang hợp, nơi mà dao động và tính không đồng nhất là đặc tính nội tại.

Một bài báo đăng trên The Journal of Physical Chemistry Letters mô tả kính hiển vi hấp thụ chuyển tiếp mới do nhóm nghiên cứu do Giáo sư Toru Kondo tại Viện Sinh học Cơ bản Quốc gia (NIBB) / Trung tâm Nghiên cứu Thăm dò về Sự sống và Hệ sống (ExCELLS) / SOKENDAI phát triển.

Kính hiển vi này tích hợp một cấu hình quang học độc đáo cho hiển vi hấp thụ với một vật kính đơn, bộ dò cân bằng độ nhạy cao và hệ phát hiện khuếch đại khóa pha, cho phép thực hiện các phép đo hấp thụ chuyển tiếp phân giải theo thời gian femto giây liên tục với tần số lặp cao.

Ngoài ra, thiết bị còn có thể thực hiện đồng thời đo hấp thụ trạng thái dừng và huỳnh quang (tức là chụp ảnh hấp thụ và huỳnh quang cùng lúc), đồng thời thu nhận phổ huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang.

Độ phân giải không gian đạt khoảng 300 nanomet, gần giới hạn nhiễu xạ; độ phân giải thời gian nhỏ hơn 200 femto giây; và độ nhạy phát hiện tín hiệu hấp thụ chuyển tiếp đạt khoảng 10⁻⁷ về độ hấp thụ, tiệm cận mức một phân tử.

Sử dụng kính hiển vi mới này, nhóm nghiên cứu đã phân tích các tập hợp tự kết tụ của sắc tố Zn-HM, mô phỏng chlorosome — một “ăng-ten” thu nhận ánh sáng trong vi khuẩn lưu huỳnh xanh. Kết quả, họ xác định được hai thành phần động học có hằng số thời gian gần như giống nhau dựa trên sự khác biệt trong phân bố hằng số thời gian — điều vốn bị “làm mờ” trong các phép đo trung bình truyền thống.

Họ cũng định lượng được các tính chất quang vật lý liên quan đến các thành phần này, như độ hấp thụ, hiệu suất huỳnh quang và tỷ lệ đỉnh huỳnh quang, qua đó làm rõ cách tính không đồng nhất cấu trúc và sự mất trật tự góp phần vào động học kích thích và các miền kết hợp exciton.

Nghiên cứu sinh Shun Arai, tác giả chính của bài báo, cho biết: “Dao động cấu trúc và tính không đồng nhất tồn tại tự nhiên không chỉ trong các hệ quang hợp mà còn trong toàn bộ các hệ sống. Chúng tôi tin rằng kính hiển vi và khung phân tích do chúng tôi phát triển có thể giúp hiểu sâu hơn về các hệ sống từ góc nhìn động học cục bộ không đồng nhất.”