Photosystem II är ett proteinkomplex i växter, alger och cyanobakterier som är ansvariga för att klyva vatten och producera det syre vi andas. Under de senaste åren, ett internationellt samarbete mellan forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory och flera andra institutioner har kunnat observera olika steg i denna vattenklyvningscykel vid den temperatur vid vilken den förekommer i naturen.

Nu, teamet har använt samma metod för att nollställa ett nyckelsteg där en vattenmolekyl flyttar in för att överbrygga mangan- och kalciumatomer i det katalytiska komplexet som delar vatten för att producera syre som kan andas. Det de lärde sig för dem ett steg närmare att få en komplett bild av denna naturliga process, som skulle kunna informera nästa generation av artificiella fotosyntetiska system som producerar ren och förnybar energi från solljus och vatten. Deras resultat publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences i dag.

"Vi visade att det är möjligt att göra dessa mätningar i tidigare iterationer av detta arbete, men vi hade aldrig den rumsliga upplösningen eller tillräckligt med tidpunkter för att verkligen gå ner i dessa finare detaljer, säger medförfattaren Uwe Bergmann, en framstående stabsforskare vid SLAC. "Efter att noggrant optimerat detta experiment under många år, vi finslipade vår förmåga att göra mätningar med tillräckligt hög kvalitet för att se dessa små förändringar för första gången."

Hinkbrigaden

Under fotosyntesen, det syreutvecklande komplexet, ett kluster av fyra manganatomer och en kalciumatom förbundna med syreatomer, cyklar genom fyra stabila oxidationstillstånd, känd som S0 till S3, när den utsätts för solljus.

På en basebollplan, S0 skulle vara starten på spelet när en spelare på hemmabasen är redo att slå till. S1-S3 skulle vara spelare på först, andra, och tredje. Varje gång en smet ansluter till en boll, eller komplexet absorberar en foton av solljus, spelaren på planen avancerar en bas. När den fjärde bollen träffas, spelaren glider in i hemmet, göra en löpning eller, i fallet med Photosystem II, frigör syre som andas. Denna forskning fokuserade på övergången från S2 till S3, det sista stabila mellantillståndet innan en syremolekyl produceras.

Det syreutvecklande komplexet är omgivet av vatten och protein. I steget som forskarna tittade på, vatten rinner genom en väg in i komplexet, där en vattenmolekyl slutligen bildar en bro mellan en manganatom och en kalciumatom. Denna vattenmolekyl tillhandahåller sannolikt en av syreatomerna i syremolekylen som produceras i slutet av cykeln.

Med hjälp av SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, forskarna fann att vattenmolekyler transporteras in i komplexet som genom en hinkbrigad:De rör sig i många små steg från ena änden av vägen till den andra. De visade också att kalciumatomen i komplexet kunde vara involverad i att skjuta vattnet in.

"Det är som en Newtons vagga, " säger Vittal Yachandra, en av författarna till studien och en senior forskare vid Berkeley Lab som har arbetat med Photosystem II i mer än 35 år. "Vanligtvis rör sig saker i flytande vatten hela tiden, men nu är vi i denna fascinerande situation där några av vattenmolekylerna runt manganklustret ändrar sin position, medan andra faktiskt alltid är på samma plats. Du kan upprepa experimentet 10, 000 gånger och de kommer fortfarande att sitta på samma plats."

Jobbar i tandem

På LCLS, teamet zappade prover från cyanobakterier med ultrasnabba pulser av röntgenstrålar för att samla in både röntgenkristallografi och spektroskopidata för att kartlägga hur elektroner strömmar i det syreutvecklande komplexet i Photosystem II. Genom denna teknik, de kan samtidigt kartlägga dess struktur och avslöja information om den kemiska processen vid manganklustret.

Tidigare, forskarna hade använt den här tekniken för att se till att provet var intakt och viktigare, även i rätt mellanliggande kemiskt tillstånd. Detta dokument markerar första gången som forskarna kunde slå samman de två uppsättningarna av information för att se sambanden mellan de strukturella och de kemiska förändringarna. Detta gjorde det möjligt för forskarna att se hur stegen utvecklas i realtid, och lär dig nya saker om reaktionen.

"Det är spännande att se "orsaken och verkan" av förändringar som induceras av ljusabsorption när de inträffar, " säger Yachandra.

"Det är lätt att glömma hur kritisk miljön är och hur den möjliggör dessa riktigt komplicerade processer, säger Junko Yano, en av författarna till studien och en senior forskare vid Berkeley Lab. "Livet sker inte i ett vakuum; alla komponenter måste samarbeta för att göra reaktionen möjlig. Dessa resultat visar oss hur protein- och vattenmolekylerna runt det katalytiska klustret arbetar tillsammans för att göra syre. Våra resultat kommer att starta ett nytt sätt att tänka och inspirera till nya typer av frågor."

Redo, uppsättning, handling!

Utöver fotosyntes, Yano säger, denna teknik kan tillämpas på andra enzymatiska system för att göra mer detaljerade ögonblicksbilder av katalytiska reaktioner.

"Det tillåter oss att koppla samman strukturbiologin och kemin i system för att förstå och kontrollera komplicerade kemiska reaktioner, " hon säger.

Det slutliga målet med projektet är att sätta ihop en atomfilm med hjälp av många ögonblicksbilder som tagits under hela processen, inklusive det svårfångade övergående tillståndet i slutet som binder två syreatomer från två vattenmolekyler för att bilda syremolekylen.

"Vår dröm är att gå runt hela reaktionscykeln och få tillräckligt med tidpunkter och detaljer för att du kan se hela processen utvecklas, från den första fotonen av ljus som kommer in till den första molekylen av andningsbart syre som kommer ut, säger medförfattaren Jan Kern, en stabsforskare vid Berkeley Lab. "Vi har byggt upp scenen för den här filmen, etablera vår teknik och visa vad som är möjligt. Nu rullar äntligen kamerorna och vi kan börja jobba på långfilmen."