מחושך לאור

עוצמת אור השמש משתנה ללא הרף, והמנגנון הפוטוסינתטי – התהליך שבו משתמשים צמחים, אצות וסוגים מסוימים של חיידקים להמרת אנרגיית השמש לאנרגיה כימית – חייב להתאים עצמו לתנאים המשתנים כדי להבטיח ניצול מיטבי של הקרינה. בדומה לרפלקס האישונים – הגורם להתרחבותם או צמצומם בהתאם לתאורה – גם אברונים בתאי הצמח משתנים בתגובה לאור. אך בניגוד אלינו, צמחים אינם יכול להסיט את מבטם או לנוח בצל, והם צריכים להיות מסוגלים להתמודד עם עוצמות שונות של קרינה, כמו גם עם היעדר קרינת שמש בשעות החשיכה.

בלי המנגנון הפוטוסינתטי החיים בכדור-הארץ, כפי שאנחנו מכירים אותם, לא היו אפשריים. תהליך זה אחראי לא רק לייצור מרבית החמצן באטמוספרת כדור-הארץ, הוא גם זה שמבטיח את זמינות המזון בעולמנו, מקבע פחמן דו-חמצני אטמוספרי וממתן תהליכים של שינוי אקלים. לכן, הבנה טובה של תהליכי הפוטוסינתזה חיונית לאנושות בהתמודדות עם אתגרי האקלים העתידים לבוא. אף שהתהליך נחקר ביסודיות כבר שנים רבות, אנו עדיין לא מבינים אותו במלואו. במעבדתו של פרופ' זיו רייך במחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע שואפים להוסיף נדבך נוסף להבנת תהליך זה. הבנה זאת תאפשר בעתיד לייעל את ניצול הפוטוסינתזה לצרכי האדם, או לפתח מנגנונים מלאכותיים שיחקו את התהליך הטבעי.

ניצול אנרגיית השמש בפוטוסינתזה נעשה באמצעות מעבר אלקטרונים בין חלבונים בתוך אברון בשם כלורופלסט. באברון זה קיימת מערכת מורכבת של קרומים, חלקם במבנה צפוף, וחלקם בסידור מרווח יותר, ועד כה סברו חוקרים שהמבנה המרחבי של המערכת מאלץ את האלקטרונים לעבור מרחק גדול בין החלבונים ובכך מאט את התהליך. במאמר שהתפרסם בכתב-העת Nature Plants, הראו מדענים בהובלתה של ד"ר רינת נבו, מדענית סגל בקבוצתו של פרופ' רייך, כי במעבר מחושך לאור, משנים הקרומים את המבנה המרחבי שלהם באופן שמאפשר קרבה פיזית גדולה יותר בין החלבונים, ובכך מתקצר המרחק שצריכים האלקטרונים לעבור.

בדרך לגילוי השינוי המפתיע בסידור הקרומים, בחנו החוקרים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק את קרומי הכלורופלסט בתנאי חושך ובתנאי אור, והשוו את סידור החלבונים על גבי הקרומים. "כשהסתכלנו על צפיפות החלבונים, הבנו שלא החלבונים עצמם משנים את מיקומם – כפי שחשבנו עד כה – אלא שהשינוי מתבצע באופן שבו הקרומים מתארגנים במרחב", מסבירה ד"ר נבו. בדיקה נוספת – הפעם במיקרוסקופ אלקטרונים חודר – איששה את השערתם של ד"ר נבו ועמיתיה, והראתה כי הקרומים מתארגנים מחדש ובכך גורמים לחלבונים להתקרב זה לזה. ככל הנראה אחת הסיבות לכך שהמצב הקרוב אינו קבוע, והקרומים חוזרים שוב להתרחק בתנאי חשכה, היא הגנה על החלבונים באמצעות בידודם בתנאי אור חלש, כאשר הפעילות הפוטוסינתטית המתבצעת היא מועטה.

בניגוד אלינו, צמחים אינם יכול להסיט את מבטם או לנוח בצל, והם צריכים להיות מסוגלים להתמודד עם עוצמות שונות של קרינה, כמו גם עם היעדר קרינת שמש בשעות החשיכה

לאחר שגילו המדענים כיצד מסתדרים הקרומים מחדש בהתאם לתנאי התאורה, הם ביצעו ניסויים בשתי קבוצות של צמחים מהונדסים גנטית: אחת שבה המבנה המרחבי של הקרומים "נעול" במצב של אור ופוטוסינתזה פעילה, וקבוצה שנייה שבה המבנה נותר במצב של חושך ומונע את התקרבות הקרומים. המדענים הראו כי הצמחים בקבוצה הראשונה היו גדולים יותר וביצעו יותר פוטוסינתזה ביחס לחבריהם ב"קבוצת החושך".

בעתיד מתכננים ד"ר נבו ועמיתיה לבחון אם שימוש בצמחים מהונדסים שבהם אפשר לשלוט בסידור המרחבי של הקרומים, יסייע לגדל צמחים באור חלש יחסית, מה שיאפשר לחסוך באנרגיה בעת גידול צמחים בתאורה מלאכותית – אפשרות שעשויה להיות כורח המציאות בעידן של שינוי האקלים.

המאמר הוקדש לזכרו של ד"ר אייל שמעוני, מדען סגל מהיחידה לתשתיות למחקר כימי במכון, אשר סייע להוציא לפועל את מיקרוסקופיית האלקטרונים במחקר, עד שהלך לעולמו בטרם עת ב-2023.

במחקר השתתפו גם ד"ר יובל גרטי ויובל בוסי מקבוצתו של פרופ’ רייך, ד"ר סמדר זיידמן מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון, פרופ' הלמוט קירכהוף מאוניברסיטת מדינת וושינגטון וד"ר דנה חרובי ממכון וולקני.