Fotosysteem II is een eiwitcomplex in planten, algen en cyanobacteriën die verantwoordelijk zijn voor het splitsen van water en het produceren van de zuurstof die we inademen. De afgelopen jaren is een internationale samenwerking tussen wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy, SLAC National Accelerator Laboratory en enkele andere instellingen hebben verschillende stappen van deze watersplitsingscyclus kunnen observeren bij de temperatuur waarbij deze in de natuur voorkomt.

Nutsvoorzieningen, het team heeft dezelfde methode gebruikt om in te zoomen op een belangrijke stap waarbij een watermolecuul naar binnen beweegt om mangaan- en calciumatomen te overbruggen in het katalytische complex dat water splitst om ademende zuurstof te produceren. Wat ze leerden, brengt hen een stap dichter bij het verkrijgen van een volledig beeld van dit natuurlijke proces, die de volgende generatie kunstmatige fotosynthetische systemen zouden kunnen informeren die schone en hernieuwbare energie produceren uit zonlicht en water. Hun resultaten werden gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences vandaag.

"We hebben aangetoond dat het mogelijk is om deze metingen te doen in eerdere iteraties van dit werk, maar we hadden nooit de ruimtelijke resolutie of genoeg tijdspunten om echt in te zoomen op deze fijnere details, " zegt co-auteur Uwe Bergmann, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC. "Na jarenlang dit experiment zorgvuldig te hebben geoptimaliseerd, we hebben ons vermogen aangescherpt om metingen uit te voeren met een kwaliteit die hoog genoeg is om deze kleine veranderingen voor de eerste keer te zien."

De emmer brigade

Tijdens fotosynthese, het zuurstofontwikkelende complex, een cluster van vier mangaanatomen en één calciumatoom verbonden door zuurstofatomen, cycli door vier stabiele oxidatietoestanden, bekend als S0 tot en met S3, bij blootstelling aan zonlicht.

Op een honkbalveld, S0 zou het begin van de wedstrijd zijn wanneer een speler op de thuisbasis klaar is om aan slag te gaan. S1-S3 zouden spelers op de eerste plaats zijn, tweede, en derde. Elke keer dat een slagman een bal raakt, of het complex absorbeert een foton van zonlicht, de speler op het veld gaat één honk vooruit. Wanneer de vierde bal wordt geraakt, de speler glijdt naar huis, een punt scoren of, in het geval van Fotosysteem II, ademende zuurstof afgeven. Dit onderzoek richtte zich op de overgang van S2 naar S3, de laatste stabiele tussentoestand voordat een zuurstofmolecuul wordt geproduceerd.

Het zuurstof ontwikkelende complex is omgeven door water en eiwit. In de stap waar de wetenschappers naar keken, water stroomt via een pad het complex in, waarbij één watermolecuul uiteindelijk een brug vormt tussen een mangaanatoom en een calciumatoom. Dit watermolecuul levert waarschijnlijk een van de zuurstofatomen in het zuurstofmolecuul dat aan het einde van de cyclus wordt geproduceerd.

Met behulp van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, de onderzoekers ontdekten dat watermoleculen als door een emmerbrigade naar het complex worden vervoerd:ze bewegen in vele kleine stappen van het ene uiteinde van het pad naar het andere. Ze toonden ook aan dat het calciumatoom in het complex betrokken zou kunnen zijn bij het binnendringen van het water.

"Het is als een wieg van Newton, " zegt Vittal Yachandra, een van de auteurs van de studie en een senior wetenschapper bij Berkeley Lab die al meer dan 35 jaar aan Photosystem II werkt. "Gewoonlijk zijn in vloeibaar water dingen constant in beweging, maar nu bevinden we ons in deze fascinerende situatie waarin sommige watermoleculen rond de mangaancluster van positie veranderen, terwijl anderen eigenlijk altijd op dezelfde plek zijn. U kunt het experiment 10 herhalen, 000 keer en ze zullen nog steeds op dezelfde plek zitten."

Samen werken

Bij LCLS, het team zapte monsters van cyanobacteriën met ultrasnelle pulsen van röntgenstralen om zowel röntgenkristallografie als spectroscopiegegevens te verzamelen om in kaart te brengen hoe elektronen in het zuurstofontwikkelende complex van Photosystem II stromen. Door deze techniek, ze zijn in staat om tegelijkertijd de structuur in kaart te brengen en informatie over het chemische proces in het mangaancluster bloot te leggen.

Eerder, de onderzoekers hadden deze techniek gebruikt om er zeker van te zijn dat het monster intact was en belangrijker nog, ook in de juiste tussenliggende chemische toestand. Dit artikel is de eerste keer dat de onderzoekers in staat waren om de twee sets informatie samen te voegen om verbanden te zien tussen de structurele en de chemische veranderingen. Hierdoor konden de onderzoekers in realtime kijken hoe de stappen zich ontvouwen, en leer nieuwe dingen over de reactie.

"Het is opwindend om de 'oorzaak en gevolg' te zien van veranderingen die worden veroorzaakt door lichtabsorptie terwijl ze zich voordoen, ' zegt Yachandra.

"Het is gemakkelijk om te vergeten hoe kritisch de omgeving is en hoe het deze echt gecompliceerde processen mogelijk maakt, " zegt Junko Yano, een van de auteurs van de studie en een senior wetenschapper bij Berkeley Lab. "Het leven gebeurt niet in een vacuüm; alle componenten moeten samenwerken om de reactie mogelijk te maken. Deze resultaten laten ons zien hoe de eiwit- en watermoleculen rond het katalytische cluster samenwerken om zuurstof te maken. Onze resultaten zullen een nieuwe manier van denken en inspireren tot nieuwe soorten vragen."

Klaar, set, actie!

Voorbij fotosynthese, Yano zegt, deze techniek kan worden toegepast op andere enzymatische systemen om meer gedetailleerde snapshots van katalytische reacties te maken.

"Het stelt ons in staat om de structurele biologie en chemie van systemen met elkaar te verbinden om gecompliceerde chemische reacties te begrijpen en te beheersen, " ze zegt.

Het uiteindelijke doel van het project is om een ​​atoomfilm samen te stellen met behulp van vele snapshots die tijdens het proces zijn gemaakt, inclusief de ongrijpbare tijdelijke toestand aan het einde die twee zuurstofatomen van twee watermoleculen bindt om het zuurstofmolecuul te vormen.

"Onze droom is om de hele reactiecyclus te doorlopen en genoeg tijdstippen en details te krijgen zodat je het hele proces kunt zien ontvouwen, van het eerste foton van licht dat binnenkomt tot het eerste molecuul ademende zuurstof dat naar buiten komt, " zegt co-auteur Jan Kern, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab. "We hebben de set voor deze film gebouwd, onze techniek vaststellen en laten zien wat er mogelijk is. Nu draaien de camera's eindelijk en kunnen we aan de speelfilm gaan werken."