من الظلمات إلى النور

هل سيساعد الفهم الأفضل لعملية التمثيل الضوئي على نمو النباتات تحت الإضاءة الاصطناعية؟

إن شدة ضوء الشمس تتغير باستمرار، وآلية التمثيل الضوئي - وهي العملية التي تستخدمها النباتات والطحالب وأنواع معينة من البكتيريا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية - يجب أن تتكيف مع الظروف المتغيرة لضمان الاستخدام الأمثل للإشعاع. على غرار منعكس الحدقة - الذي يؤدي إلى تمددها أو تقلصها اعتمادًا على الإضاءة - تتغير العضيات الموجودة في الخلايا النباتية أيضًا استجابةً للضوء. ولكن على عكسنا، لا تستطيع النباتات أن تنظر بعيدًا أو تستريح في الظل، ويجب أن تكون قادرة على التعامل مع شدة الإشعاع المختلفة، بالإضافة إلى غياب ضوء الشمس خلال ساعات الظلام.

وبدون آلية التمثيل الضوئي، لن تكون الحياة على الأرض، كما نعرفها، ممكنة. هذه العملية ليست مسؤولة فقط عن إنتاج معظم الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض، بل هي أيضًا التي تضمن توافر الغذاء في عالمنا، وتثبت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتلطف عمليات تغير المناخ. ولذلك، فإن الفهم الجيد لعمليات التمثيل الضوئي أمر ضروري للبشرية في التعامل مع التحديات المناخية المستقبلية. على الرغم من أن هذه العملية قد تمت دراستها بدقة لسنوات عديدة، إلا أننا ما زلنا لا نفهمها بشكل كامل. في مختبر البروفيسور زيف رايخ في قسم العلوم الجزيئية الحيوية في معهد وايزمان للعلوم، نهدف إلى إضافة طبقة أخرى لفهم هذه العملية. وسيسمح هذا الفهم في المستقبل بتحسين الاستفادة من عملية التمثيل الضوئي لتلبية احتياجات الإنسان، أو تطوير آليات اصطناعية تحاكي العملية الطبيعية.

يتم استغلال طاقة الشمس في عملية التمثيل الضوئي من خلال نقل الإلكترونات بين البروتينات في عضية تسمى البلاستيدات الخضراء. يوجد في هذا العضو نظام معقد من الأغشية، بعضها ذو بنية كثيفة، وبعضها ذو ترتيب أكثر اتساعًا، وحتى الآن يعتقد الباحثون أن البنية المكانية للنظام تجبر الإلكترونات على السفر مسافة كبيرة بين البروتينات، وبالتالي تباطؤ العملية. في المقال نشرت في المجلة النباتات الطبيعة، أظهر العلماء بقيادة الدكتور رينات نيبو، عالم هيئة التدريس في مجموعة البروفيسور رايخ، أنه أثناء الانتقال من الظلام إلى النور، تغير الأغشية بنيتها المكانية بطريقة تسمح بقرب مادي أكبر بين البروتينات، وبالتالي تقصير المسافة. أن الإلكترونات يجب أن تسافر.

وفي الطريق لاكتشاف التغير المفاجئ في ترتيب الأغشية، استخدم الباحثون المجهر الإلكتروني الماسح لفحص أغشية البلاستيدات الخضراء تحت ظروف الظلام والضوء، ومقارنة ترتيب البروتينات على الأغشية. "عندما نظرنا إلى كثافة البروتينات، أدركنا أن البروتينات نفسها ليست هي التي تغير موقعها - كما كنا نعتقد حتى الآن - ولكن التغيير يحدث في الطريقة التي يتم بها تنظيم الأغشية في الفضاء"، يوضح الدكتور. وقد أكد اختبار آخر - هذه المرة باستخدام المجهر الإلكتروني المخترق - فرضية الدكتورة نيفو وزملائها، وأظهر أن الأغشية تعيد تنظيم نفسها وبالتالي تجعل البروتينات تقترب من بعضها البعض. ويبدو أن أحد الأسباب التي تجعل الحالة القريبة غير دائمة، وتحرك الأغشية متباعدة مرة أخرى في الظروف المظلمة، هو حماية البروتينات من خلال عزلها في ظروف الإضاءة الضعيفة، عندما يكون نشاط التمثيل الضوئي الذي يحدث في حده الأدنى.

على عكسنا، لا تستطيع النباتات أن تنظر بعيدًا أو تستريح في الظل، ويجب أن تكون قادرة على التعامل مع شدة الإشعاع المختلفة، بالإضافة إلى غياب ضوء الشمس خلال ساعات الظلام.

وبعد أن اكتشف العلماء كيف تعيد الأغشية ترتيب نفسها وفقًا لظروف الإضاءة، أجروا تجارب على مجموعتين من النباتات المعدلة وراثيًا: مجموعة تكون فيها البنية المكانية للأغشية "مقفلة" في حالة من الضوء والتمثيل الضوئي النشط، ومجموعة أخرى تكون فيها البنية المكانية للأغشية "مقفلة" في حالة من الضوء والتمثيل الضوئي النشط. المجموعة الثانية حيث يبقى البناء في حالة من الظلام ويمنع تقارب الأغشية من بعضها البعض. وأظهر العلماء أن النباتات في المجموعة الأولى كانت أكبر حجما وأجرت عملية تمثيل ضوئي أكثر مقارنة بأصدقائها في "المجموعة المظلمة".

في المستقبل، تخطط الدكتورة نيفو وزملاؤها لدراسة ما إذا كان استخدام النباتات المعدلة وراثيا التي يمكن التحكم في الترتيب المكاني للأغشية فيها، سيساعد على نمو النباتات في ضوء ضعيف نسبيا، مما سيجعل من الممكن توفير الطاقة عند النمو النباتات في الإضاءة الاصطناعية – وهو الاحتمال الذي قد يكون ضرورة في عصر تغير المناخ.

تم تخصيص المقال لذكرى الدكتور إيال شمعوني، وهو عالم من وحدة البنية التحتية للأبحاث الكيميائية في المعهد، والذي ساعد في تطبيق المجهر الإلكتروني في البحث، حتى وفاته قبل الأوان في عام 2023.

كما شارك في الدراسة الدكتور يوفال جيرتي ويوفال بوسي من مجموعة البروفيسور رايخ، والدكتور سميدير زيدمان من قسم البنية التحتية للأبحاث الكيميائية بالمعهد، والبروفيسور هيلموت كيرشوف من جامعة ولاية واشنطن، والدكتورة دانا هاروبي من المعهد البركاني.