Afvikling af et vigtigt trin i fotosyntetisk iltproduktion

Fotosystem II er et proteinkompleks i planter, alger og cyanobakterier, der er ansvarlig for at splitte vand og producere det ilt, vi indånder. I løbet af de sidste par år har et internationalt samarbejde mellem forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory og flere andre institutioner har været i stand til at observere forskellige trin i denne vandopdelingscyklus ved den temperatur, ved hvilken den forekommer i naturen.

Nu, teamet har brugt den samme metode til at nulstille et vigtigt trin, hvor et vandmolekyle bevæger sig ind for at bygge bro mellem mangan- og calciumatomer i det katalytiske kompleks, der deler vand for at producere åndbart ilt. Det, de lærte, bringer dem et skridt tættere på at få et fuldstændigt billede af denne naturlige proces, som kunne informere den næste generation af kunstige fotosyntetiske systemer, der producerer ren og vedvarende energi fra sollys og vand. Deres resultater blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences i dag.

"Vi demonstrerede, at det er muligt at foretage disse målinger i tidligere iterationer af dette arbejde, men vi havde aldrig den rumlige opløsning eller nok tidspunkter til virkelig at drille os ned i disse finere detaljer, "siger medforfatter Uwe Bergmann, en fornem personaleforsker ved SLAC. "Efter omhyggeligt at optimere dette eksperiment gennem mange år, Vi finpudser vores evne til at foretage målinger i høj nok kvalitet til at se disse små ændringer for første gang. "

Spandbrigaden

Under fotosyntesen, det iltudviklende kompleks, en klynge af fire manganatomer og et calciumatom forbundet med oxygenatomer, cykler gennem fire stabile oxidationstilstande, kendt som S0 til 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 får forbindelse med en bold, eller komplekset absorberer en foton af sollys, spilleren på banen avancerer en base. Når den fjerde bold bliver ramt, spilleren glider ind i hjemmet, scorer et løb eller, for Photosystem II, frigivelse af åndbart ilt. Denne forskning fokuserede på overgangen fra S2 til S3, den sidste stabile mellemliggende tilstand, før et oxygenmolekyle fremstilles.

Det iltudviklende kompleks er omgivet af vand og protein. I det trin forskerne så på, vand strømmer gennem en vej ind i komplekset, hvor et vandmolekyle i sidste ende danner en bro mellem et manganatom og et calciumatom. Dette vandmolekyle giver sandsynligvis et af iltatomerne i iltmolekylet, der produceres i slutningen af ​​cyklussen.

Brug af SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, forskerne fandt ud af, at vandmolekyler blev ført ind i komplekset som om gennem en spandbrigade:De bevæger sig i mange små trin fra den ene ende af stien til den anden. De viste også, at calciumatomet i komplekset kunne være involveret i at skubbe vandet ind.

"Det er som en Newtons vugge, "siger Vittal Yachandra, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og en seniorforsker ved Berkeley Lab, der har arbejdet med Photosystem II i mere end 35 år. "Normalt bevæger tingene sig konstant i flydende vand, men nu er vi i denne fascinerende situation, hvor nogle af vandmolekylerne omkring manganklyngen ændrer deres position, mens andre faktisk altid er det samme sted. Du kan gentage eksperimentet 10, 000 gange, og de vil stadig sidde samme sted. "

Arbejder i tandem

På LCLS, teamet zappede prøver fra cyanobakterier med ultrahurtige pulser af røntgenstråler for at indsamle både røntgenkrystallografi og spektroskopidata for at kortlægge, hvordan elektroner flyder i det oxygenudviklende kompleks i Photosystem II. Gennem denne teknik, de er i stand til samtidigt at kortlægge dets struktur og afdække oplysninger om den kemiske proces ved manganklyngen.

Tidligere har forskerne havde brugt denne teknik til at sikre, at prøven var intakt og vigtigere, også i den rigtige mellemkemiske tilstand. Dette papir er første gang, forskerne var i stand til at flette de to informationssæt for at se sammenhænge mellem de strukturelle og de kemiske ændringer. Dette gjorde det muligt for forskerne at se, hvordan trinene udspiller sig i realtid, og lære nye ting om reaktionen.

"Det er spændende at se 'årsag og virkning' af ændringer forårsaget af lysabsorption, når de sker, "Siger Yachandra.

"Det er let at glemme, hvor kritisk miljøet er, og hvordan det muliggør disse virkelig komplicerede processer, "siger Junko Yano, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og en seniorforsker ved Berkeley Lab. "Livet sker ikke i et vakuum. Alle komponenter skal arbejde sammen for at gøre reaktionen mulig. Disse resultater viser os, hvordan protein- og vandmolekylerne omkring den katalytiske klynge fungerer sammen for at lave ilt. Vores resultater starter en ny måde at tænker og inspirerer til nye slags spørgsmål. "

Parat, sæt, handling!

Ud over fotosyntesen, Yano siger, denne teknik kan anvendes på andre enzymatiske systemer for at lave mere detaljerede øjebliksbilleder af katalytiske reaktioner.

"Det giver os mulighed for at forbinde systemets strukturbiologi og kemi for at forstå og kontrollere komplicerede kemiske reaktioner, " hun siger.

Projektets endelige mål er at sammensætte en atomfilm ved hjælp af mange snapshots, der er lavet under hele processen, herunder den undvigende forbigående tilstand ved enden, der binder to iltatomer fra to vandmolekyler til dannelse af iltmolekylet.

"Vores drøm er at gå rundt i hele reaktionscyklussen og få nok tidspunkter og detaljer til, at du kan se hele processen udfolde sig, fra den første foton af lys, der kommer ind til det første molekyle af åndbart ilt, der kommer ud, "siger medforfatter Jan Kern, en personaleforsker ved Berkeley Lab. "Vi har bygget sættet til denne film, etablere vores teknik og vise, hvad der er muligt. Nu ruller kameraerne endelig, og vi kan begynde at arbejde på spillefilmen. "