Optrævling af den strukturelle dynamik i fotosystem II med femtosekund røntgenkrystallografi
Forståelse af de molekylære mekanismer, der ligger til grund for fænomenet fotosyntese, kan muliggøre betydelige fremskridt inden for bioteknologi og vedvarende energi. Fotosystem II (PSII), et proteinkompleks, spiller en central rolle i denne proces ved at katalysere oxidationen af vand og producere dioxygen ved hjælp af sollys, et grundlæggende trin i oxygenisk fotosyntese. På trods af omfattende forskning forbliver den strukturelle dynamik af PSII under vandspaltningsreaktionen, især på atomniveau og på korte tidsskalaer, stort set uudforsket.
Tidligere forskning har givet værdifuld indsigt i de strukturelle ændringer, der forekommer i PSII under vandopdelingsreaktionen, med fokus på mikrosekund til millisekund tidsskalaer. Der har imidlertid været mangel på strukturel information i høj opløsning på kortere tidsskalaer, især under overgange mellem forskellige tilstande af det oxygen-udviklende kompleks (OEC) induceret af lysexcitation, hvilket er afgørende for at forstå mekanismen for vandoxidation og oxygen evolution.
For at løse dette forskningsgab brugte professor Michihiro Suga og professor Jian-Ren Shen fra Research Institute for Interdisciplinary Science, Graduate School of Environmental, Life, Natural Science and Technology, Okayama University i Japan, pumpesonde seriel femtosekund røntgenkrystallografi (TR-SFX), en teknik, som er kendt for at fange ultrahurtige strukturelle ændringer i biologiske makromolekyler med bemærkelsesværdig rumlig og tidsmæssig præcision.
Efter etablerede protokoller blev PSII-mikrokrystaller omhyggeligt forberedt og udsat for en eller to laserglimt lysexcitation, efterfulgt af belysning med femtosekund røntgenimpulser genereret af en røntgenfri elektronlaser (XFEL).
"Processen med at generere mikrokrystaller til fotosystem II var tidskrævende og strakte sig over næsten fem år, indtil resultaterne blev kompileret og offentliggjort," sagde professor Michihiro Suga.
Ved at udsætte krystallerne for laserglimt og opfange røntgendiffraktionsmønstre ved forskellige tidsforsinkelser kunne forskerne i vid udstrækning spore mindre strukturelle ændringer i PSII, lige fra nanosekunder til millisekunder post-flash belysning.
Resultaterne, offentliggjort i Nature , afslører den indviklede strukturelle dynamik i PSII under afgørende overgange fra S1 til S2 og S2 til S3 stater for at forstå afgørende begivenheder såsom elektronoverførsel, protonfrigivelse og substratvandlevering.
Efter at have udsat krystallerne for laserglimt blev der observeret hurtige strukturelle ændringer i YZ-tyrosinresten, hvilket tyder på forekomsten af hurtige elektron- og protonoverførselsprocesser.
Et vandmolekyle nær Glu189 af D1-underenheden blev fundet umiddelbart efter to blink, som efterfølgende blev overført til en position ved navn O6 nær O5 som tidligere fundet, hvilket gav værdifuld indsigt i oprindelsen af oxygenatomet, der blev inkorporeret under vandspaltningsreaktionen.
Undersøgelsen afklarede også de samordnede bevægelser af vandmolekyler inden for specifikke kanaler, hvilket belyser deres afgørende rolle i at lette substratvandlevering og protonfrigivelse. Disse observationer kaster lys over det indviklede samspil mellem proteinstilladset og vandmolekyler og fremhæver deres synergistiske bidrag til effektiviteten af PSII's katalytiske cyklus.
"Resultaterne fra vores forskning har betydelige implikationer for forskellige områder, især i design af katalysatorer til kunstig fotosyntese. Ved at belyse de molekylære mekanismer, der ligger til grund for vandoxidation i PSII, kan vi inspirere til udviklingen af syntetiske katalysatorer, der er i stand til effektivt at udnytte solenergi gennem kunstig fotosyntese," forklarer professor Jian-Ren Shen.
Forskerne siger, at ved at forstå den strukturelle dynamik af PSII, kan vi også informere strategier til optimering af naturlige fotosyntetiske processer i afgrøder for at øge landbrugets produktivitet og afbøde virkningerne af klimaændringer. Vi tilføjer, at disse resultater ikke kun uddyber vores forståelse af de grundlæggende biologiske processer, men også rummer et enormt løfte om at løse presserende globale udfordringer relateret til energibæredygtighed og miljøbevarelse.
Flere oplysninger: Hongjie Li et al., Oxygen-udviklende fotosystem II-strukturer under S1-S2-S3-overgange, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
Journaloplysninger: Natur
Leveret af Okayama University
Varme artikler
-
Atomskala simulering af antiarytmisk lægemiddelinteraktion med hjertecellerAt afsløre de mystiske mekanismer for lægemiddelstyrke til behandling af hjertearytmier, UC Davis Health-forskere har udviklet nye simuleringer, der giver indsigt i vitale atom-skala lægemiddel-hjerte -
Glow-in-the-mørke papir som en hurtig test for infektionssygdommeDenne papirstrimmel (ekstremt zoomet ind) indeholder to kopier af testen. De tre lysende prikker pr. test indikerer, at du kan kontrollere tre forskellige antistoffer inden for en test. Kredit:Bart va -
Undersøgelse af forviklingerne i nitrogenkredsløbetDenne grafik fremhæver nogle af de vigtigste reaktioner i nitrogenkredsløbet, skudt i gang med brugen af ammoniak eller NH3 , gødning. MSUs nye forskning zoomer ind på reaktioner, der involverer nit -
Stort gennembrud i fremstillingen af røde blodlegemerScanning elektronmikrografi af blodceller. Fra venstre mod højre:human erytrocyt, trombocyt (blodplader), leukocyt. Kredit:offentlig ejendom Forskere har genereret de første udødelige cellelinjer,
- Hvordan opdele Square Feet
- Juno-missionen til Jupiter leverer første videnskabelige resultater
- Hvordan franchisegivere kan bruge kontraktuklarhed til deres fordel
- Bayere rekordmæssigt presser på for at gemme biernes stemme
- Frankrig gennemfører de første militærøvelser i rummet
- Når havniveauet stiger, en stor del af Honolulu og Waikiki er sårbare over for oversvømmelse af g…