Trots dess roll i att forma livet som vi känner det, många aspekter av fotosyntesen förblir ett mysterium. Ett internationellt samarbete mellan forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory och flera andra institutioner arbetar för att ändra det. Forskarna använde SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser för att fånga den mest kompletta och högsta upplösningsbilden hittills av Photosystem II, ett viktigt proteinkomplex i växter, alger och cyanobakterier som ansvarar för att klyva vatten och producera syret vi andas in. Resultaten publicerades i Natur i dag.

Livsexplosion

När jorden bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan, planetens landskap var nästan ingenting som det är idag. Junko Yano, en av författarna till studien och en senior forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, beskriver det som "helvetet". Meteorer susade genom en koldioxidrik atmosfär och vulkaner översvämmade ytan med magmatiska hav.

Under de närmaste 2,5 miljarder åren har vattenånga som ackumuleras i luften började regna och bilda hav där det allra första livet uppträdde i form av encelliga organismer. Men det var inte förrän en av de livsstyckena muterade och utvecklade förmågan att utnyttja ljus från solen och förvandla det till energi, frigör syremolekyler från vatten i processen, att jorden började utvecklas till den planet den är idag. Denna process, syresyntes fotosyntes, anses vara en av naturens kronjuveler och har förblivit relativt oförändrad under de mer än 2 miljarder år sedan det uppstod.

"Den här reaktionen gjorde oss som vi är, som världen. Molekyl för molekyl, planeten blev långsamt berikad tills, för cirka 540 miljoner år sedan, det exploderade av liv, "säger medförfattaren Uwe Bergmann, en framstående personalvetare vid SLAC. "När det gäller frågor om var vi kommer ifrån, detta är en av de största. "

En grönare framtid

Fotosystem II är arbetshästen som är ansvarig för att använda solljus för att bryta ner vatten i dess atomkomponenter, låsa upp väte och syre. Tills nyligen, det hade bara varit möjligt att mäta delar av denna process vid extremt låga temperaturer. I en tidigare uppsats, forskarna använde en ny metod för att observera två steg i denna vattensplitningscykel vid den temperatur vid vilken den förekommer i naturen.

Nu har laget avbildat processens alla fyra mellanliggande tillstånd vid naturlig temperatur och den bästa detaljnivån än. De fångade också, för första gången, övergångsstunder mellan två av staterna, ger dem en sekvens av sex bilder av processen.

Målet med projektet, sa medförfattaren Jan Kern, en forskare vid Berkeley Lab, är att sätta ihop en atomfilm med många ramar från hela processen, inklusive det undvikande övergående tillståndet i slutet som binder syreatomer från två vattenmolekyler för att producera syremolekyler.

"Att studera detta system ger oss en möjlighet att se hur metaller och proteiner fungerar tillsammans och hur ljus styr sådana reaktioner, "sa Vittal Yachandra, en av författarna till studien och en senior forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory som har arbetat med Photosystem II i mer än 35 år. "Förutom att öppna ett fönster om det förflutna, en bättre förståelse av Photosystem II kan låsa upp dörren till en grönare framtid, ger oss inspiration för artificiella fotosyntetiska system som producerar ren och förnybar energi från solljus och vatten. "

Provmonteringslinje

För deras experiment, forskarna odlar vad Kern beskrev som en "tjock grön slush" av cyanobakterier - samma gamla organismer som först utvecklade förmågan att fotosyntetisera - i ett stort kärl som ständigt lyser. De skördar sedan cellerna för sina prover.

Vid LCLS, proverna zappas med ultrasnabba pulser av röntgenstrålar för att samla in både röntgenkristallografi och spektroskopidata för att kartlägga hur elektroner flödar i det syreutvecklande komplexet i fotosystem II. I kristallografi, forskare använder hur ett kristallprov sprider röntgenstrålar för att kartlägga dess struktur; i spektroskopi, de exciterar atomerna i ett material för att avslöja information om dess kemi. Detta tillvägagångssätt, kombinerat med ett nytt provsystem för samlingslinje, tillät forskarna att begränsa de föreslagna mekanismerna som forskarsamhället lagt fram under åren.

Kartläggning av processen

Tidigare, forskarna kunde bestämma rumstemperaturstrukturen i två av delstaterna med en upplösning på 2,25 ångström; en ångström är ungefär diametern på en väteatom. Detta gjorde att de kunde se positionen för tungmetallatomerna, men lämnade några frågor om de exakta positionerna för de lättare atomerna, som syre. I det här pappret, de kunde förbättra upplösningen ytterligare, till 2 ångström, vilket gjorde att de kunde börja se ljusare atoms position tydligare, samt rita en mer detaljerad karta över den kemiska strukturen för metallkatalytiskt centrum i komplexet där vatten delas.

Detta centrum, kallas det syreutvecklande komplexet, är en grupp av fyra manganatomer och en kalciumatom överbryggad med syreatomer. Den cyklar genom de fyra stabila oxidationstillstånden, S0-S3, vid exponering för solljus. På en basebollplan, S0 skulle vara början 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 med 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 ett lopp eller, när det gäller Photosystem II, frigör syre som andas.

Forskarna kunde ta actionbilder av hur komplexets struktur förändrades vid varje bas, som inte hade varit möjligt utan deras teknik. En andra uppsättning data gjorde att de kunde kartlägga den exakta positionen för systemet i varje bild, bekräftar att de faktiskt hade avbildat de stater de siktade på.

Glider in i hemmet

Men det är många andra saker som händer under hela denna process, samt stunder mellan stater när spelaren gör en paus för nästa bas, som är lite svårare att fånga. En av de viktigaste aspekterna av detta dokument, Yano sa, är att de kunde avbilda två stunder mellan S2 och S3. I kommande experiment, forskarna hoppas kunna använda samma teknik för att avbilda fler av dessa mellanliggande tillstånd, inklusive det galna strecket för hemmet - det övergående tillståndet, eller S4, där två syreatomer binder samman - ger information om reaktionens kemi som är avgörande för att efterlikna denna process i artificiella system.

"Hela cykeln tar nästan två millisekunder att slutföra, "Kern sa." Vår dröm är att fånga 50 mikrosekundsteg under hela cykeln, var och en med högsta möjliga upplösning, för att skapa denna atomfilm av hela processen. "

Även om de fortfarande har en väg att gå, forskarna sa att dessa resultat ger en väg framåt, både för att avslöja mysterierna om hur fotosyntes fungerar, och genom att erbjuda en plan för konstgjorda förnybara energikällor.

"Det har varit en inlärningsprocess, "sa SLAC-forskaren och medförfattaren Roberto Alonso-Mori." Under de senaste sju åren har vi arbetat med våra samarbetspartners för att återuppfinna viktiga aspekter av våra tekniker. Vi har långsamt chippat bort den här frågan och dessa resultat är ett stort steg framåt. "