Att förstå de molekylära mekanismerna som ligger bakom fenomenet fotosyntes kan möjliggöra betydande framsteg inom bioteknik och förnybar energi. Fotosystem II (PSII), ett proteinkomplex, spelar en central roll i denna process genom att katalysera oxidationen av vatten och producera dioxygen med solljus, ett grundläggande steg i syrehaltig fotosyntes. Trots omfattande forskning förblir den strukturella dynamiken hos PSII under vattenklyvningsreaktionen, särskilt på atomnivå och på korta tidsskalor, i stort sett outforskad.
Tidigare forskning har gett värdefulla insikter i de strukturella förändringar som sker i PSII under vattenuppdelningsreaktionen, med fokus på mikrosekund till millisekund tidsskalor. Det har dock funnits en brist på högupplöst strukturell information vid kortare tidsskalor, särskilt under övergångarna mellan olika tillstånd av det syreutvecklande komplexet (OEC) inducerat av ljusexcitation, vilket är väsentligt för att förstå mekanismen för vattenoxidation och syre evolution.
För att komma till rätta med denna forskningsklyfta använde professor Michihiro Suga och professor Jian-Ren Shen från Research Institute for Interdisciplinary Science, Graduate School of Environmental, Life, Natural Science and Technology, Okayama University i Japan, pump-sond seriell femtosekund röntgenkristallografi (TR-SFX), en teknik som är känd för att fånga ultrasnabba strukturella förändringar i biologiska makromolekyler med anmärkningsvärd rumslig och tidsmässig precision.
Enligt etablerade protokoll preparerades PSII-mikrokristaller noggrant och utsattes för en eller två laserblixtar ljusexcitering, följt av belysning med femtosekundsröntgenpulser genererade av en röntgenfri elektronlaser (XFEL).
"Processen att generera mikrokristaller för fotosystem II var tidskrävande och sträckte sig över nästan fem år tills resultaten sammanställdes och publicerades", säger professor Michihiro Suga.
Genom att exponera kristallerna för laserblixtar och fånga röntgendiffraktionsmönster vid olika tidsfördröjningar kunde forskarna i stor utsträckning spåra mindre strukturella förändringar i PSII, allt från nanosekunder till millisekunder efter blixtbelysning.
Fynden, publicerade i Nature , avslöja den invecklade strukturella dynamiken hos PSII under avgörande övergångar från S1 till S2 och S2 till S3 tillstånd för att förstå viktiga händelser som elektronöverföring, protonfrisättning och substratvattenleverans.
Efter att ha exponerat kristallerna för laserblixtar observerades snabba strukturella förändringar i YZ-tyrosinresten, vilket tyder på förekomsten av snabba elektron- och protonöverföringsprocesser.
En vattenmolekyl nära Glu189 i D1-subenheten hittades omedelbart efter två blinkningar, som sedan överfördes till en position benämnd O6 nära O5 som tidigare hittats, vilket gav värdefulla insikter om ursprunget till syreatomen som inkorporerades under vattenuppdelningsreaktionen.
Undersökningen klargjorde också de samordnade rörelserna av vattenmolekyler inom specifika kanaler, vilket klargjorde deras avgörande roll för att underlätta substratvattenleverans och protonfrisättning. Dessa observationer belyser det invecklade samspelet mellan proteinställningen och vattenmolekylerna, och framhäver deras synergistiska bidrag till effektiviteten av PSII:s katalytiska cykel.
"Fynden från vår forskning har betydande implikationer för olika områden, särskilt i utformningen av katalysatorer för artificiell fotosyntes. Genom att belysa de molekylära mekanismerna bakom vattenoxidation i PSII kan vi inspirera till utvecklingen av syntetiska katalysatorer som effektivt kan utnyttja solenergi genom konstgjorda fotosyntes", förklarar professor Jian-Ren Shen.
Forskarna säger att genom att förstå den strukturella dynamiken hos PSII kan vi också informera om strategier för att optimera naturliga fotosyntetiska processer i grödor för att förbättra jordbrukets produktivitet och mildra effekterna av klimatförändringar. Vi lägger till att dessa fynd inte bara fördjupar vår förståelse av de grundläggande biologiska processerna utan också har ett enormt löfte för att ta itu med pressande globala utmaningar relaterade till energihållbarhet och miljövård.
Mer information: Hongjie Li et al, Oxygen-evolving photosystem II-strukturer under S1–S2–S3-övergångar, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Okayama University
