Mekanisme for fotosyntetisk vandopdeling afsløret af en røntgenfri elektronlaser

Fotosystem II (PSII) er et enormt membranproteinkompleks, der katalyserer lysinduceret vandspaltning, fører til dannelse af protoner og molekylær ilt. Denne reaktion omdanner lysenergi fra solen til kemisk energi, der er nødvendig for at opretholde næsten alle levende aktiviteter på Jorden. Vandspaltningsreaktionen katalyseres af en Mn4CaO5-klynge indlejret i proteinmatrixen af ​​PSII, og fortsætter gennem fem mellemstater kaldet Si-stater. Strukturerne i PSII og Mn4CaO5-klyngen er blevet løst med atomopløsning, imidlertid, mekanismer for vandspaltning er uklare på grund af manglen på enzymets mellemliggende strukturer.

Nu, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen ved Okayama University, og kolleger på institutter, herunder Kyoto University, RIKEN, har præciseret og løst strukturen af ​​Mn4CaO5-klyngen ved S3-tilstand-en mellemliggende tilstand, der eksisterer umiddelbart før dannelsen af ​​molekylært oxygen, genereret af to blink med optisk belysning. De anvendte en pumpesondemetode, hvor to laserblink blev brugt til at pumpe enzymet til den mellemliggende tilstand, og røntgendiffraktionsdata blev indsamlet ved en seriel femtosekund krystallografimetode ved anvendelse af femtosekund røntgenfrie elektronlasere (XFEL) ved SACLA, Japan.

Resultaterne viste indsættelse af et nyt oxygenatom (vandmolekyle) tæt på et allerede eksisterende oxo-oxygen kaldet O5, muliggør dannelse af molekylært oxygen mellem O5 og det nyligt indsatte oxygenatom (O6). Dette demonstrerede klart mekanismen for vandspaltningsreaktionen katalyseret af PSII, og gav en plan for design og syntese af effektive kunstige katalysatorer, der i fremtiden kunne bruges i kunstig fotosyntese til at producere ren og vedvarende energi fra solen.