Forskare vid Washington University i St. Louis har spårat vägarna för tre vattenkanaler i en gammal fotosyntetisk organism för att ge den första heltäckande, experimentell studie av hur den organismen använder och reglerar vatten för att skapa energi.

Fotosyntes är den kemiska omvandlingen av solljus till kemisk energi via en elektrontransportkedja som är nödvändig för nästan allt liv på vår planet. Alla växter fungerar genom fotosyntes, liksom alger och vissa varianter av bakterier.

Himadri B. Pakrasi, Myron och Sonya Glassberg/Albert och Blanche Greensfelder University Distinguished Professor and Director, International Centre for Energy, Miljö och hållbarhet, postdoktor Daniel A. Weisz, och Michael L. Gross, professor i kemi, studerade farfars farfar till alla fotosyntetiska organismer – en stam av cyanobakterier – för att utveckla den första experimentella kartan över den organismens vattenvärld.

Fyndet främjar fotosyntesforskning men presenterar också ett framsteg inom forskning om gröna bränslen:

För att omvandla solljus till en användbar form av energi, fotosyntetiska organismer kräver vatten vid den "aktiva platsen" för proteinkomplexet Photosystem II. Men kanalerna genom vilka vatten kommer till den aktiva platsen är svåra att mäta experimentellt. Reaktiva syrearter produceras på den aktiva platsen och reser bort från den, i motsatt riktning som vatten, lämnar ett "skadespår" i deras spår.

"Vi identifierade de skadade platserna i Photosystem II med hjälp av högupplöst masspektrometri och fann att de avslöjar flera vägar centrerade på den aktiva platsen och som leder bort från den hela vägen till ytan av komplexet, sa Weisz, huvudförfattare till tidningen som dök upp i numret 17 november av Vetenskapens framsteg . "Vi föreslår att dessa vägar representerar kanaler inom komplexet som kan användas för att leverera vatten till den aktiva platsen."

"Fotosystem II har en mycket komplex mekanism, och det är verkligen viktigt att förstå dess processer och utveckling, sade Pakrasi, som har forskat mycket om cyanobakterier i mer än 25 år. "Det finns ett växande intresse för grön energi, och vår kunskap om detta enzyms beteende skulle en dag kunna användas för att skapa ett konstgjort system som efterliknar det verkliga enzymet för att producera en riklig mängd hållbar energi."

Den aktiva platsen för Photosystem II är ett kluster av mangan, kalcium- och syrejoner begravda djupt i komplexet, långt bort från cellens vattniga medium. Forskare har länge spekulerat att den aktiva webbplatsen, eller mangankluster, måste ha ett kanalsystem, och teoretiska, superdatorgenererade modeller har tunt förutspått deras existens. Men vattenrörelser är svåra att karakterisera experimentellt.

Forskarna tog en omväg för att avgränsa kanalerna. "Skadspåret" består av 36 aminosyrarester från i huvudsak tre proteiner som hittats nära manganklustret av den mycket sofistikerade masspektrometern från kemisten Gross, som var Weiszs doktorandrådgivare tillsammans med Pakrasi och också är utsedd till Washington University School of Medicine för sitt arbete med masspektrometri. Dessa skadliga reaktiva syreämnen, även känd som radikaler, emanerar och sprids från klustret utåt mot cellens vattniga medium. Radikalerna passerar genom Photosystem II som en tornado, attackera och skada de närmaste aminosyrakomponenterna i Photosystem II som de möter längs sin väg.

Eftersom radikalerna och vattnet har liknande egenskaper, såsom storlek och hydrofilicitet, forskarna föreslår att skadestigarna som går ut från klustret liknar de vägar som vattnet tar inåt mot den aktiva platsen.

"Vi observerar direkt de vägar som radikalerna tar, inte vatten, ", sa Weisz. "Men med tanke på radikalernas liknande egenskaper som vatten samt tidigare datormodelleringsresultat, vi tror att dessa vägar är desamma som vatten tar inåt."

Ett sådant tillvägagångssätt för att upptäcka vattenkanalerna anses vara en proxy eftersom den är baserad på rörelsen av de mycket reaktiva radikalerna och inte av vattnet i sig.

proxy, Weisz sa, "är som att lämna ett spår av brödsmulor längs en stig i skogen. Om någon kan hitta brödsmulorna, de kan följa stigen som tagits ut ur skogen."

Forskarna kunde identifiera de många skadade resterna på grund av den otroliga noggrannheten, hastighet och känslighet hos Gross masspektrometriinstrument. "Med tidigare instrument som var långsammare och mindre känsliga, det var svårare att säkert identifiera ett stort antal skadade platser, " Sa Weisz. "De kraftfulla funktionerna hos detta instrument gjorde det möjligt för oss att få dessa resultat."

"Cyanobakterier är stamfader till kloroplaster i växter, ", sade Pakrasi. "Fotosystem II är bevarat över alla syrerika fotosyntetiska organismer. Vi vet med säkerhet att naturen bara skapade denna maskin en gång, överförde det sedan från cyanobakterier till alger och till växter."