Forskere skaber den mest komplette højopløselige atomfilm af fotosyntese til dato

På trods af dets rolle i at forme livet, som vi kender det, mange aspekter af fotosyntese forbliver et mysterium. Et internationalt samarbejde mellem forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory og flere andre institutioner arbejder på at ændre det. Forskerne brugte SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser til at fange det mest komplette og højeste opløsning billede til dato af Photosystem II, et nøgleproteinkompleks i planter, alger og cyanobakterier, der er ansvarlige for at spalte vand og producere den ilt, vi indånder. Resultaterne blev offentliggjort i Natur i dag.

Eksplosion af liv

Da Jorden blev dannet for omkring 4,5 milliarder år siden, planetens landskab var næsten intet som det, det er i dag. Junko Yano, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og en seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, beskriver det som "helvedes". Meteorer sydede gennem en kuldioxid-rig atmosfære, og vulkaner oversvømmede overfladen med magmatiske hav.

I løbet af de næste 2,5 milliarder år, vanddamp, der akkumulerede i luften, begyndte at regne ned og danne oceaner, hvor det allerførste liv dukkede op i form af encellede organismer. Men det var først, før en af ​​de pletter af liv muterede og udviklede evnen til at udnytte lyset fra solen og omdanne det til energi, frigivelse af iltmolekyler fra vand i processen, at Jorden begyndte at udvikle sig til den planet, den er i dag. denne proces, oxygenisk fotosyntese, betragtes som en af ​​naturens kronjuveler og er forblevet relativt uændret i de mere end 2 milliarder år siden den opstod.

"Denne ene reaktion fik os til at være, som vi er, som verden. Molekyle for molekyle, planeten blev langsomt beriget indtil, for omkring 540 millioner år siden, det eksploderede af liv, " sagde medforfatter Uwe Bergmann, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC. "Når det kommer til spørgsmål om, hvor vi kommer fra, dette er en af ​​de største."

En grønnere fremtid

Fotosystem II er arbejdshesten, der er ansvarlig for at bruge sollys til at nedbryde vand i dets atomare komponenter, oplåsning af brint og ilt. Indtil for nylig, det havde kun været muligt at måle dele af denne proces ved ekstremt lave temperaturer. I en tidligere avis, forskerne brugte en ny metode til at observere to trin af denne vandspaltningscyklus ved den temperatur, hvor den forekommer i naturen.

Nu har teamet afbilledet alle fire mellemliggende tilstande af processen ved naturlig temperatur og det fineste detaljeringsniveau endnu. De fangede også, for første gang, overgangsmomenter mellem to af staterne, giver dem en sekvens på seks billeder af processen.

Målet med projektet, sagde medforfatter Jan Kern, en videnskabsmand ved Berkeley Lab, er at sammensætte en atomfilm ved hjælp af mange billeder fra hele processen, inklusive den undvigende forbigående tilstand i enden, der binder oxygenatomer fra to vandmolekyler for at producere oxygenmolekyler.

"At studere dette system giver os mulighed for at se, hvordan metaller og proteiner arbejder sammen, og hvordan lys styrer sådanne slags reaktioner, " sagde Vittal Yachandra, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og en seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, som har arbejdet på Photosystem II i mere end 35 år. "Ud over at åbne et vindue til fortiden, en bedre forståelse af Photosystem II kunne låse døren op til en grønnere fremtid, giver os inspiration til kunstige fotosyntetiske systemer, der producerer ren og vedvarende energi fra sollys og vand."

Eksempel på samlebånd

For deres eksperimenter, forskerne dyrker, hvad Kern beskrev som en "tyk grøn sjap" af cyanobakterier - de selvsamme gamle organismer, som først udviklede evnen til at fotosyntese - i et stort kar, der konstant er oplyst. De høster derefter cellerne til deres prøver.

Hos LCLS, prøverne zappes med ultrahurtige pulser af røntgenstråler for at indsamle både røntgenkrystallografi og spektroskopidata for at kortlægge, hvordan elektroner flyder i det oxygen-udviklende kompleks af fotosystem II. I krystallografi, forskere bruger den måde, hvorpå en krystalprøve spreder røntgenstråler til at kortlægge dens struktur; i spektroskopi, de exciterer atomerne i et materiale for at afdække information om dets kemi. Denne tilgang, kombineret med et nyt samlebåndsprøvetransportsystem, gjort det muligt for forskerne at indsnævre de foreslåede mekanismer, som forskersamfundet har fremsat gennem årene.

Kortlægning af processen

Tidligere, forskerne var i stand til at bestemme stuetemperaturstrukturen for to af staterne ved en opløsning på 2,25 ångstrøm; en ångstrøm er cirka diameteren af ​​et brintatom. Dette gjorde det muligt for dem at se positionen af ​​tungmetalatomerne, men efterlod nogle spørgsmål om den nøjagtige position af de lettere atomer, som ilt. I denne avis, de var i stand til at forbedre opløsningen yderligere, til 2 ångstrøm, hvilket gjorde det muligt for dem at begynde at se positionen af ​​lettere atomer klarere, samt tegne et mere detaljeret kort over den kemiske struktur af det metalkatalytiske center i komplekset, hvor vandet spaltes.

Dette center, kaldet det iltudviklende kompleks, er en klynge af fire manganatomer og et calciumatom, der er brokoblet med oxygenatomer. Det cykler gennem de fire stabile oxidationstilstande, S0-S3, når de udsættes for sollys. På en baseballbane, S0 ville være starten på spillet, når en spiller på hjemmebasen er klar til at slå til. S1-S3 ville være spillere på først, sekund, og tredje. Hver gang en dej forbindes med en bold, eller komplekset absorberer en foton af sollys, spilleren på banen rykker én base frem. Når den fjerde bold rammes, spilleren glider ind i hjemmet, score et løb eller, i tilfældet med Photosystem II, frigivelse af åndbar ilt.

Forskerne var i stand til at tage actionbilleder af, hvordan kompleksets struktur transformerede sig på hver base, hvilket ikke ville have været muligt uden deres teknik. Et andet sæt data gjorde det muligt for dem at kortlægge den nøjagtige position af systemet i hvert billede, bekræfter, at de faktisk havde forestillet sig de stater, de sigtede mod.

Glider ind i hjemmet

Men der sker mange andre ting gennem hele denne proces, samt øjeblikke mellem tilstande, hvor spilleren laver en pause til næste base, som er lidt sværere at fange. Et af de vigtigste aspekter af denne artikel, Yano sagde, er, at de var i stand til at afbilde to øjeblikke mellem S2 og S3. I kommende eksperimenter, forskerne håber at bruge den samme teknik til at afbilde flere af disse mellemtilstande, inklusive den gale streg til hjemmet - den forbigående tilstand, eller S4, hvor to iltatomer bindes sammen - giver information om reaktionens kemi, der er afgørende for at efterligne denne proces i kunstige systemer.

"Hele cyklussen tager næsten to millisekunder at fuldføre, " sagde Kern. "Vores drøm er at fange 50 mikrosekunders trin gennem hele cyklussen, hver af dem med den højest mulige opløsning, at skabe denne atomfilm om hele processen."

Selvom de stadig har en vej at gå, forskerne sagde, at disse resultater giver en vej frem, både ved at afsløre mysterierne om, hvordan fotosyntese fungerer, og ved at tilbyde en plan for kunstige kilder til vedvarende energi.

"Det har været en lærerig proces, " sagde SLAC videnskabsmand og medforfatter Roberto Alonso-Mori. "I løbet af de sidste syv år har vi arbejdet sammen med vores samarbejdspartnere for at genopfinde nøgleaspekter af vores teknikker. Vi er langsomt blevet klogere på dette spørgsmål, og disse resultater er et stort skridt fremad."