Ondanks zijn rol in het vormgeven van het leven zoals we dat kennen, veel aspecten van fotosynthese blijven een mysterie. Een internationale samenwerking tussen wetenschappers van SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory en verschillende andere instellingen werken eraan om dat te veranderen. De onderzoekers gebruikten SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser om de meest complete foto met de hoogste resolutie tot nu toe van Photosystem II vast te leggen, een belangrijk eiwitcomplex in planten, algen en cyanobacteriën die verantwoordelijk zijn voor het splitsen van water en het produceren van de zuurstof die we inademen. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur vandaag.

Explosie van het leven

Toen de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd, het landschap van de planeet leek bijna niet op wat het nu is. Junko Yano, een van de auteurs van de studie en een senior wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, beschrijft het als "hels". Meteoren sisten door een kooldioxide-rijke atmosfeer en vulkanen overspoelden het oppervlak met magmatische zeeën.

In de komende 2,5 miljard jaar zal waterdamp die zich ophoopte in de lucht begon te regenen en vormden oceanen waar het allereerste leven verscheen in de vorm van eencellige organismen. Maar het was pas toen een van die spikkels van het leven muteerde en het vermogen ontwikkelde om licht van de zon te benutten en het in energie om te zetten, daarbij zuurstofmoleculen uit het water vrijgeven, dat de aarde begon te evolueren tot de planeet die het nu is. Dit proces, zuurstof fotosynthese, wordt beschouwd als een van de kroonjuwelen van de natuur en is in de meer dan 2 miljard jaar sinds het ontstaan ​​relatief onveranderd gebleven.

"Deze ene reactie heeft ons gemaakt zoals we zijn, als de wereld. Molecuul voor molecuul, de planeet werd langzaam verrijkt tot, ongeveer 540 miljoen jaar geleden, het explodeerde met leven, " zei co-auteur Uwe Bergmann, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC. "Als het gaat om vragen over waar we vandaan komen, dit is een van de grootste."

Een groenere toekomst

Photosystem II is het werkpaard dat verantwoordelijk is voor het gebruik van zonlicht om water af te breken in zijn atomaire componenten, waterstof en zuurstof ontsluiten. Tot voor kort, stukken van dit proces waren alleen bij extreem lage temperaturen te meten. In een eerdere krant de onderzoekers gebruikten een nieuwe methode om twee stappen van deze watersplitsingscyclus te observeren bij de temperatuur waarbij het in de natuur voorkomt.

Nu heeft het team alle vier de tussenstadia van het proces in beeld gebracht bij natuurlijke temperatuur en het fijnste detailniveau tot nu toe. Ze vingen ook, Voor de eerste keer, overgangsmomenten tussen twee van de staten, waardoor ze een reeks van zes afbeeldingen van het proces krijgen.

Het doel van het project, zei co-auteur Jan Kern, een wetenschapper bij Berkeley Lab, is om een ​​atoomfilm samen te stellen met behulp van veel frames uit het hele proces, inclusief de ongrijpbare tijdelijke toestand aan het einde die zuurstofatomen van twee watermoleculen bindt om zuurstofmoleculen te produceren.

"Door dit systeem te bestuderen, kunnen we zien hoe metalen en eiwitten samenwerken en hoe licht dergelijke reacties regelt, " zei Vittal Yachandra, een van de auteurs van de studie en een senior wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory die al meer dan 35 jaar aan Photosystem II werkt. "Naast het openen van een venster op het verleden, een beter begrip van Photosystem II zou de deur kunnen openen naar een groenere toekomst, het geeft ons inspiratie voor kunstmatige fotosynthetische systemen die schone en hernieuwbare energie produceren uit zonlicht en water."

Voorbeeld assemblagelijn:

Voor hun experimenten, de onderzoekers kweken wat Kern beschreef als een "dikke groene slush" van cyanobacteriën - dezelfde oude organismen die voor het eerst het vermogen tot fotosynthese ontwikkelden - in een groot vat dat constant verlicht is. Vervolgens oogsten ze de cellen voor hun monsters.

Bij LCLS, de monsters worden gezapt met ultrasnelle pulsen van röntgenstralen om zowel röntgenkristallografie- als spectroscopiegegevens te verzamelen om in kaart te brengen hoe elektronen stromen in het zuurstofontwikkelende complex van fotosysteem II. In kristallografie, onderzoekers gebruiken de manier waarop een kristalmonster röntgenstralen verstrooit om de structuur in kaart te brengen; bij spectroscopie, ze prikkelen de atomen in een materiaal om informatie over de chemie ervan te ontdekken. Deze aanpak, gecombineerd met een nieuw monstertransportsysteem aan de lopende band, stelde de onderzoekers in staat om de voorgestelde mechanismen te verfijnen die door de onderzoeksgemeenschap in de loop der jaren naar voren zijn gebracht.

Het proces in kaart brengen

Eerder, de onderzoekers waren in staat om de structuur van de kamertemperatuur van twee van de staten te bepalen met een resolutie van 2,25 angstrom; één angstrom is ongeveer de diameter van een waterstofatoom. Hierdoor konden ze de positie van de zware metaalatomen zien, maar liet wat vragen achter over de exacte posities van de lichtere atomen, zoals zuurstof. In deze krant, ze waren in staat om de resolutie nog verder te verbeteren, tot 2 angstrom, waardoor ze de positie van lichtere atomen duidelijker konden zien, evenals een meer gedetailleerde kaart tekenen van de chemische structuur van het metaalkatalytische centrum in het complex waar water wordt gesplitst.

Dit centrum, het zuurstof-evoluerende complex genoemd, is een cluster van vier mangaanatomen en één calciumatoom overbrugd met zuurstofatomen. Het doorloopt de vier stabiele oxidatietoestanden, S0-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.

De onderzoekers konden actiefoto's maken van hoe de structuur van het complex op elke basis veranderde, wat zonder hun techniek niet mogelijk zou zijn geweest. Met een tweede set gegevens konden ze de exacte positie van het systeem in elke afbeelding in kaart brengen, bevestigden dat ze in feite de staten hadden verbeeld waarnaar ze streefden.

Thuis glijden

Maar er zijn nog veel meer dingen aan de hand tijdens dit proces, evenals momenten tussen staten wanneer de speler een pauze maakt voor het volgende honk, die zijn wat moeilijker te vangen. Een van de belangrijkste aspecten van dit document, Yano zei, is dat ze twee momenten tussen S2 en S3 konden vastleggen. In de komende experimenten, de onderzoekers hopen dezelfde techniek te gebruiken om meer van deze tussentoestanden in beeld te brengen, inclusief het gekke streepje voor thuis - de voorbijgaande staat, of S4, waar twee zuurstofatomen aan elkaar binden, wat informatie geeft over de chemie van de reactie die essentieel is om dit proces in kunstmatige systemen na te bootsen.

"De hele cyclus duurt bijna twee milliseconden om te voltooien, "Zei Kern. "Onze droom is om stappen van 50 microseconden vast te leggen gedurende de volledige cyclus, elk met de hoogst mogelijke resolutie, om deze atomaire film van het hele proces te maken."

Hoewel ze nog een weg te gaan hebben, de onderzoekers zeiden dat deze resultaten een weg vooruit bieden, zowel bij het onthullen van de mysteries van hoe fotosynthese werkt, en door het aanbieden van een blauwdruk voor kunstmatige bronnen van hernieuwbare energie.

"Het is een leerproces geweest, " zei SLAC-wetenschapper en co-auteur Roberto Alonso-Mori. "De afgelopen zeven jaar hebben we met onze medewerkers samengewerkt om belangrijke aspecten van onze technieken opnieuw uit te vinden. We zijn langzaam aan het afbrokkelen op deze vraag en deze resultaten zijn een grote stap voorwaarts."