Planten zijn zeer efficiënt in het omzetten van fotonen in elektronen. Maar het transport van deze elektronen is een chaotisch proces, Dat hebben wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen ontdekt. Ze gebruikten moleculaire dynamica om de werking van fotosysteem II te visualiseren en publiceerden hun resultaten op 10 mei in Natuurcommunicatie .

Planten en sommige bacteriën gebruiken het fotosysteem II (PSII)-complex om fotonen om te zetten in vrije elektronen, die door het molecuul plastochinon worden afgevoerd naar de volgende stap in de keten. Na een aantal stappen, deze elektronen worden gebruikt om de universele energiedrager van cellen te produceren, ATP. Maar wat onbekend was, is hoe plastochinon het PSII-complex binnenkomt en verlaat om zijn vitale taak uit te voeren.

Massief blok

"De structuur van PSII was al bekend. Op basis van deze statische structuur, er werd geconcludeerd dat er twee kanalen zijn waardoor plastochinon binnenkomt en vertrekt, " legt Siewert-Jan Marrink uit, hoogleraar moleculaire dynamica aan de Rijksuniversiteit Groningen. "Maar het blijkt niet zo eenvoudig te zijn." Marrink, zijn doctoraat student Floris van Eerden en hun collega's gebruikten moleculaire dynamica om de interactie van PSII en plastochinon te bestuderen. Dit betekende het modelleren van het enorme PSII-complex, die bestaat uit verschillende eiwitten en andere bijbehorende moleculen in een enorm computercluster en de interacties van de verschillende onderdelen berekent.

Floris van Eerden deed het meeste modellenwerk. "Het heeft ongeveer twee jaar geduurd om alles op de rails te krijgen, " legt hij uit. Hij modelleerde niet alleen het complex, maar ook het lipidemembraan waarin het zich bevindt als onderdeel van de chloroplasten. Aanvankelijk, de resultaten zagen er niet veelbelovend uit. "PSII is zeer stabiel, dus het zit daar gewoon als een stevig blok, " zegt Van Eerden. Maar door nader te kijken, er ontstond een dynamischer beeld:vooral de plastochinonmoleculen bleken erg mobiel. "In zijn niet-gereduceerde staat, zonder de extra elektronen, plastochinon kwam wel in het PSII-complex en bleef in de 'uitwisselingsholte', ' waar het gebonden is. En nadat het elektronen had opgepikt, het heeft deze site verlaten."

landbouw

De verrassing was de schijnbaar ongecoördineerde manier waarop het gebeurt. "Het idee in het veld was dat er twee kanalen waren waardoor plastochinon kon passeren - de ene zou de ingang zijn, de andere de uitgang, " zegt Marrink. Het bleek dat er waren drie kanalen, die allemaal kunnen worden gebruikt om het complex te betreden of te verlaten. "De natuur bleek minder ordelijk dan we hadden aangenomen."

Alle plastochinonmoleculen in het membraan zouden snel het PSII-complex binnendringen, maar kan het weer zonder elektronen achterlaten, of zweef een tijdje rond in het complex voordat het uiteindelijk in de uitwisselingsholte bindt, waar het elektronen kan opnemen. Marrink zegt, "Het wordt allemaal heel erg gedomineerd door entropie."

Nog altijd, het hele proces van het omzetten van een gevangen foton in een elektron, die vervolgens door de pijpleiding wordt bewogen om de universele cellulaire energiedrager ATP te produceren, is uiterst efficiënt. Meer nog dan door de mens gemaakte fotovoltaïsche systemen. Misschien kunnen we iets leren van de natuur. En de landbouw kan op den duur profiteren van de nieuwe inzichten in de werking van PSII. "Veel herbiciden werken op dit systeem, " zegt Van Eerden. Maar over het algemeen, het ontrafelt een beetje van de ontzagwekkende complexiteit van het systeem dat de wetenschappers opwindt. "Het is echt geweldig, ’ besluit Marrink.