Wij bestaan, letterlijk, uit sterrenstof. De koolstofatomen die in uw lichaam zitten, zijn ooit ontstaan in een ontploffende ster. Maar de enige reden dat die atomen zo mooi verwerkt zijn tot u, is sterrenlicht. Dat van de zon, om precies te zijn. Vrijwel al het leven op aarde bestaat bij de gratie van wezens die de energie uit zonlicht weten op te slaan, in een proces dat fotosynthese heet. De planten doen het echte werk, en u profiteert daarvan door ze op te eten.
Planten zijn het bekendste voorbeeld, maar het zijn niet de enige organismen die aan fotosynthese doen. Er zijn ook bacteriën die het kunstje beheersen. Eén specifieke soort, Rhodobacter sphaeroides, trekt al jaren de aandacht van biologen, natuurkundigen en alles daartussenin. Het is ook mogelijk om het eiwit waarmee hij licht opvangt uit de bacterie te halen, en in een elektrische schakeling te zetten. Dan werkt het nog steeds, en het resultaat is een techno-organisch nanomachientje waar een piepklein stroompje doorheen loopt als er licht op schijnt.
‘Het werkt ook als een diode’, aldus natuurkundige Muhammad Kamran. Dat is het onderdeel in een elektrische schakeling dat de stroom in één richting stuurt. ‘Je zou verwachten dat de elektronen twee kanten op kunnen gaan, maar dat gebeurt niet. Er wordt ontzettend veel onderzoek gedaan naar dat molecuul. Wetenschappers willen ze gebruiken als sensor, of in zonnepanelen. Maar als je dit eiwit op wil nemen in een elektrische schakeling, moet je wel weten wat hij daar precies doet.’
In een recente publicatie in Nature Communications leggen Kamran, hoogleraar biofysica Thijs Aartsma en collega’s van de Vrije Universiteit en de University of Bristol uit hoe dat zit. Het licht-opvang-mechaniek van de bacterie – onderzoekers noemen dat het reactieve centrum – bestaat uit een chlorofyl-gedeelte met twee armen. Als er een stroompje over de schakeling staat, gaan er elektronen door het molecuul lopen. Dat doen ze maar langs één van de twee armen, de zogeheten A-arm. Dan gaan ze ook nog maar één kant op.
Om de elektronendans in kaart te brengen, onderzocht Kamran drie soorten reactieve centra. Eentje van een gewone Rhodobacter, en twee in Bristol gefabriceerde mutanten, waarvan bij elk één van de armen stuk was.
Die centra legde hij vervolgens onder een tastmicroscoop, die als de naald van een platenspeler over het oppervlak van de centra beweegt. De microscoop meet de piepkleine krachten die op de naald inwerken, en vertaalt die in een beeld. Tasten duurt langer dan kijken en tasmicroscopen zijn duur, maar ze maken het wel mogelijk om zoiets piepkleins als elektronen die langs een eiwit bewegen te volgen.
Bij het bestuderen van de reactieve centra bleek dat de mutante eiwitten met een kapotte A-arm het niet meer doen. Er gaat geen stroompje meer lopen als er licht op het reactieve centrum valt. Ook bleek dat de elektronendans volgens een ander stappenplan verloopt dan wetenschappers altijd dachten, en dat is geweldig interessant voor onderzoekers die aan Rhodobacter en zijn eiwitten werken. ‘Het artikel staat nu drie weken online, en de uitnodigingen voor congressen stromen ineens binnen’, vertelt Kamran.
De belangstelling komt deels van mensen die willen weten hoe fotosynthese precies werkt. Rhodobacter is een belangrijk modelsysteem in dat onderzoek, omdat de bacterie gemakkelijk is op te kweken. Ook werkt het fotosynthese-apparaat bij deze soort iets eenvoudiger dan bij planten.
Een belangrijke toepassing is de bouw van biosensoren. Kamran: ‘In de reactieve centra zitten onderdelen die kunnen binden aan verschillende stoffen, zoals herbiciden. Als dat gebeurt, loopt er geen stroompje meer. Mijn collega Michael Jones uit Bristol heeft onlangs aangetoond dat je zo ontzettend lage concentraties aan stoffen kan opsporen.’
Op de biologie geïnspireerde zonnepanelen zijn nog verder weg, waarschuwt hij. ‘Sowieso werkt het reactieve centrum beter als je er een moleculaire antenne op zet.’ In een eerder artikel in Bio-Macromolecules, samen met collega’s van de VU, liet Kamran zien dat dan veel meer stroom te winnen valt. Het probleem is echter dat veel van die gewonnen energie vervolgens weer verloren gaat, en niet netjes in de schakeling terechtkomt. ‘Eiwitten houden niet van metaaldraadjes’, verzucht de onderzoeker.
Een ander probleem is dat eiwitten vrij snel slijten, vooral buiten een cel. Daar heeft de bacterie niet zo’n last van, want zelfs als een eiwit stuk gaat, kan hij kan weer nieuwe exemplaren aanmaken. In een elektrische schakeling is die cel er echter niet. ‘We moeten een manier vinden om ze stabiel te houden’, zegt Kamran. ‘Er zijn een hoop mensen die proberen om andere stoffen te maken, die erop lijken maar die langer meegaan. Ook voor die groep wetenschappers is ons werk belangrijk: als je wilt weten hoe je iets namaakt, moet je wel weten hoe het werkt.’
Rhodobacter sphaeroides doet aan fotosynthese. Wetenschappers kunnen de verantwoordelijke eiwitten in een elektrische schakeling stoppen. Net als een diode (zie foto boven) sturen ze de stroom dan in één richting.