Onderzoekers van de Washington University in St. Louis hebben de paden van drie waterkanalen in een oud fotosynthetisch organisme getraceerd om de eerste uitgebreide, experimentele studie van hoe dat organisme water gebruikt en reguleert om energie te creëren.

Fotosynthese is de chemische omzetting van zonlicht in chemische energie via een elektronentransportketen die essentieel is voor bijna al het leven op onze planeet. Alle planten werken door fotosynthese, net als algen en bepaalde soorten bacteriën.

Himadri B. Pakrasi, Myron en Sonya Glassberg/Albert en Blanche Greensfelder University Distinguished Professor en Directeur, Internationaal Centrum voor Energie, Milieu en Duurzaamheid, postdoctoraal onderzoeker Daniel A. Weisz, en Michael L. Gross, hoogleraar scheikunde, bestudeerde de overgrootvader van alle fotosynthetische organismen - een stam van cyanobacteriën - om de eerste experimentele kaart van de waterwereld van dat organisme te ontwikkelen.

De bevinding bevordert het fotosynthese-onderzoek, maar presenteert ook een vooruitgang in het onderzoek naar groene brandstoffen:

Om zonlicht om te zetten in een bruikbare vorm van energie, fotosynthetische organismen hebben water nodig op de "actieve plaats" van het Photosystem II-eiwitcomplex. Maar de kanalen waardoor water op de actieve plaats komt, zijn moeilijk experimenteel te meten. Reactieve zuurstofsoorten worden geproduceerd op de actieve plaats en gaan ervan weg, in de tegenovergestelde richting als water, een "schadespoor" achterlatend.

"We identificeerden de beschadigde locaties in Photosystem II met behulp van massaspectrometrie met hoge resolutie en ontdekten dat ze verschillende paden onthullen die gecentreerd zijn op de actieve site en er helemaal vanaf leiden naar de oppervlakte van het complex, " zei Weisz, hoofdauteur van het artikel dat verscheen in het nummer van 17 november van wetenschappelijke vooruitgang . "We stellen voor dat deze paden kanalen binnen het complex vertegenwoordigen die kunnen worden gebruikt om water naar de actieve site te brengen."

"Photosystem II heeft een zeer complex mechanisme, en het is erg belangrijk om de processen en evolutie ervan te begrijpen, " zei Pakrasi, die al meer dan 25 jaar uitgebreid onderzoek doet naar cyanobacteriën. "Er is een groeiende belangstelling voor groene energie, en onze kennis van het gedrag van dit enzym kan ooit worden gebruikt om een ​​kunstmatig systeem te creëren dat het echte enzym nabootst om een ​​overvloedige hoeveelheid duurzame energie te produceren."

De actieve site van Photosystem II is een cluster van mangaan, calcium- en zuurstofionen diep in het complex begraven, ver weg van het waterige medium van de cel. Onderzoekers hebben lang gespeculeerd dat de actieve site, of mangaancluster, moet een kanalensysteem hebben, en theoretisch, door supercomputers gegenereerde modellen hebben hun bestaan ​​vaag voorspeld. Maar waterbeweging is moeilijk experimenteel te karakteriseren.

De onderzoekers namen een omweg om de kanalen af ​​te bakenen. Het "schadespoor" bestaat uit 36 ​​aminozuurresiduen van in wezen drie eiwitten die in de buurt van het mangaancluster zijn gevonden door de zeer geavanceerde massaspectrometer van chemicus Gross, die samen met Pakrasi Weisz' doctoraal co-adviseur was en ook is aangesteld aan de Washington University School of Medicine voor zijn werk op het gebied van massaspectrometrie. Deze schadelijke reactieve zuurstofsoorten, ook wel radicalen genoemd, emaneren en verspreiden zich van de cluster naar buiten in de richting van het waterige medium van de cel. De radicalen gaan door Photosystem II als een tornado, het aanvallen en beschadigen van de dichtstbijzijnde aminozuurcomponenten van Photosystem II die ze op hun pad tegenkomen.

Omdat de radicalen en water vergelijkbare eigenschappen hebben, zoals grootte en hydrofiliciteit, de onderzoekers stellen voor dat de paden van het schadepad die uit het cluster uitgaan, sterk lijken op de paden die water naar binnen neemt in de richting van de actieve site.

"We observeren direct de paden die de radicalen nemen, niet die van water, Weisz zei. "Maar gezien de eigenschappen van de radicalen die vergelijkbaar zijn met water en eerdere resultaten van computermodellering, we geloven dat die paden dezelfde zijn die water naar binnen leidt."

Een dergelijke benadering voor het ontdekken van de waterkanalen wordt als een proxy beschouwd omdat het gebaseerd is op de beweging van de zeer reactieve radicalen en niet van het water zelf.

de gevolmachtigde, Weisz zei, "is als het achterlaten van een spoor van broodkruimels langs een pad in het bos. Als iemand de broodkruimels kan vinden, ze kunnen het pad volgen dat uit het bos is genomen."

De onderzoekers konden de vele beschadigde resten identificeren vanwege de ongelooflijke nauwkeurigheid, snelheid en gevoeligheid van het massaspectrometrie-instrument van Gross. "Met eerdere instrumenten die langzamer en minder gevoelig waren, het was moeilijker om met vertrouwen grote aantallen beschadigde locaties te identificeren, Weisz zei. "De krachtige mogelijkheden van dit instrument stelden ons in staat om deze resultaten te verkrijgen."

"Cyanobacteriën zijn de voorlopers van chloroplasten in planten, " Zei Pakrasi. "Photosystem II is geconserveerd in alle zuurstofhoudende fotosynthetische organismen. We weten zeker dat de natuur deze machine maar één keer heeft bedacht, vervolgens overgebracht van cyanobacteriën naar algen en planten."