Kortlægning af skadestier lader forskere følge vandet i Photosystem II

Forskere ved Washington University i St. Louis har sporet tre vandkanalers stier i en gammel fotosyntetisk organisme for at give den første omfattende, eksperimentel undersøgelse af, hvordan den organisme bruger og regulerer vand til at skabe energi.

Fotosyntese er den kemiske omdannelse af sollys til kemisk energi via en elektrontransportkæde, der er afgørende for næsten alt liv på vores planet. Alle planter fungerer ved fotosyntese, ligesom alger og visse varianter af bakterier.

Himadri B. Pakrasi, Myron og Sonya Glassberg/Albert og Blanche Greensfelder University Distinguished Professor and Director, Internationalt Center for Energi, Miljø og bæredygtighed, post-doc forsker Daniel A. Weisz, og Michael L. Gross, professor i kemi, studerede oldefar til alle fotosyntetiske organismer - en stamme af cyanobakterier - for at udvikle det første eksperimentelle kort over organismens vandverden.

Opdagelsen fremmer fotosynteseforskning, men præsenterer også et fremskridt inden for forskning i grønne brændstoffer:

At omdanne sollys til en brugbar form for energi, fotosyntetiske organismer kræver vand på det "aktive sted" af Photosystem II-proteinkomplekset. Men de kanaler, hvorigennem vandet ankommer til det aktive sted, er vanskelige at måle eksperimentelt. Reaktive oxygenarter produceres på det aktive sted og bevæger sig væk fra det, i den modsatte retning som vand, efterlader et "skadespor" i deres kølvand.

"Vi identificerede de beskadigede steder i Photosystem II ved hjælp af højopløsningsmassespektrometri og fandt ud af, at de afslører flere veje centreret om det aktive sted og fører væk fra det hele vejen til overfladen af ​​komplekset, " sagde Weisz, hovedforfatter af papiret, der udkom i 17. november-udgaven af Videnskabens fremskridt . "Vi foreslår, at disse veje repræsenterer kanaler i komplekset, der kan bruges til at levere vand til det aktive sted."

"Fotosystem II har en meget kompleks mekanisme, og det er virkelig vigtigt at forstå dens processer og udvikling, " sagde Pakrasi, som har forsket meget i cyanobakterier i mere end 25 år. "Der er en stigende interesse for grøn energi, og vores viden om dette enzyms adfærd kan en dag blive brugt til at skabe et kunstigt system, der efterligner det rigtige enzym for at producere en rigelig mængde bæredygtig energi."

Det aktive sted for Photosystem II er en klynge af mangan, calcium- og oxygenioner begravet dybt inde i komplekset, langt væk fra cellens vandige medium. Forskere har længe spekuleret i, at det aktive websted, eller manganklynge, skal have et kanalsystem, og teoretisk, supercomputer-genererede modeller har næppe forudsagt deres eksistens. Men vandbevægelse er svær at karakterisere eksperimentelt.

Forskerne tog en rundkørsel for at afgrænse kanalerne. "Skadesporet" består af 36 aminosyrerester fra i det væsentlige tre proteiner fundet nær manganklyngen af ​​det meget sofistikerede massespektrometer fra kemikeren Gross, som var Weisz's ph.d.-medrådgiver sammen med Pakrasi og også er udnævnt til Washington University School of Medicine for sit arbejde med massespektrometri. Disse skadelige reaktive oxygenarter, også kendt som radikale, udgår og spredes fra klyngen udad mod cellens vandige medium. Radikalerne passerer gennem Fotosystem II som en tornado, angriber og beskadiger de nærmeste aminosyrekomponenter i Photosystem II, som de møder på deres vej.

Fordi radikalerne og vandet har lignende egenskaber, såsom størrelse og hydrofilicitet, forskerne foreslår, at skadestierne, der går ud fra klyngen, ligner meget de stier, som vandet tager indad mod det aktive sted.

"Vi observerer direkte de veje, som de radikale går, ikke dem af vand, " sagde Weisz. "Men givet radikalernes lignende egenskaber til vand såvel som tidligere computermodelleringsresultater, vi tror på, at disse veje er de samme, som vand tager indad."

En sådan tilgang til at opdage vandkanalerne betragtes som en proxy, fordi den er baseret på bevægelsen af ​​de meget reaktive radikaler og ikke af vandet selv.

Fuldmægtigen, Weisz sagde, "er som at efterlade et spor af brødkrummer langs en sti i skoven. Hvis nogen er i stand til at finde brødkrummerne, de kan gå tilbage på stien, der er taget ud af skoven."

Forskerne var i stand til at identificere de mange beskadigede rester på grund af den utrolige nøjagtighed, hastighed og følsomhed af Gross's massespektrometriinstrument. "Med tidligere instrumenter, der var langsommere og mindre følsomme, det var sværere at identificere et stort antal beskadigede steder med sikkerhed, " sagde Weisz. "De kraftfulde egenskaber ved dette instrument gjorde det muligt for os at opnå disse resultater."

"Cyanobakterier er stamfædre til kloroplaster i planter, " sagde Pakrasi. "Fotosystem II er bevaret på tværs af alle iltrige fotosyntetiske organismer. Vi ved med sikkerhed, at naturen kun har udtænkt denne maskine én gang, derefter overført det fra cyanobakterier til alger og til planter."