Molekylernas värld filmad med avancerad röntgenlaser

Forskarteamet kommer från Uppsala universitet, DESY och Arizona State University, USA och har i den aktuella studien använt sig av röntgenlasern LCLS vid US National Accelerator Laboratory SLAC i Kaliforninen för att på molekylärnivå avbilda fotosystem II i fotosyntesen. Det är den del av fotosyntesen då vatten spjälkas till väte och syre.

Denna kemiska process är fundamental för livet på jorden och står för större delen av syreproduktionen i jordens atmosfär.

– En bättre förståelse av fotosyntesen kan till exempel ge oss bättre solceller, och kanske till och med hjälpa oss att uppnå syntetisk fotosyntes, vilket har varit biokemisters dröm länge, säger en av de huvudansvariga forskarna, professor Petra Fromme, Arizona State University.

För att kunna studera fotosystem II odlade forskarlaget små nanometerstora kristaller av molekylkomplexet från en cyanobakterie, Thermosynechococcus elongatus. Kristallerna bestrålades sedan med grönt laserljus för att aktivera spjälkningsprocessen. En given tid därefter utsattes provet sedan för de korta intensiva röntgenpulserna från LCLS. Röntgenljuset interagerar med atomerna i provet och kan sedan detekteras med hjälp av en avancerad detektor. Från mönstret som röntgenljuset bildar på detektorn kan forskarna bestämma hur atomernas positioner förhåller sig till varandra, och därmed bestämma hur provet såg ut då det träffades av röntgenpulsen. Forskarna såg överraskande stora strukturförändringar i fotosystem II.

Tekniken som forskarna har använt sig av är i sig ett viktigt genombrott, understryker Carl Caleman, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, och delaktig i den aktuella studien. Den har beskrivits som ett av de viktigaste vetenskapliga genombrotten på senaste tid av tidskriften Science.

– Denna studie, tillsammans med en rad andra där vi har använt oss av samma typ av ljuskälla, visar verkligen vilken potential dessa kortpulsröntgenkällor har i dessa sammanhang. Tekniken kan bidra med tidigare helt okänd kunskap vid studier av molekylär struktur och dynamik i stora molekyler och öppnar upp för en stor mängd andra intressanta studier, säger han.

Studien visar att det är möjligt att göra molekylära filmer av biokemiska processer med hjälp av röntgenlaser. Professor Henry Chapman vid Centre for Free-electron laser science vid DESY i Hamburg kommenterar:

– Denna typ av filmer kommer att kunna ge oss kunskap om den ultrasnabba dynamiken i kemiska reaktioner, men för att komma dit måste vi nå ännu högre upplösning först.

Referens: Serial Time-resolved crystallography of Photosystem II using a femtosecond X-ray laser”; Christopher Kupitz et al.; Nature 9 juli 2014.