Ögonblicksbilder av hur syre bildas i fotosyntesen

– Den nya kunskapen kommer att hjälpa oss att förbättra nuvarande syntetiska katalysatorer för vattenoxidation. Katalysatorerna är nyckelkomponenter för att bygga konstgjorda löv-anordningar för omvandling av solenergi till bränslen såsom vätgas, etanol eller metanol, säger Johannes Messinger, professor i biologisk kemi och forskargruppens ledare.

Alla barn lär sig i skolan att det syre vi andas produceras genom fotosyntesen hos växter och cyanobakterier som lever i sjöar och hav. Men exakt hur det sker är fortfarande under intensiv forskning.

Bildningen av syre i fotosyntesen sker i ett reaktionsförlopp som slutförs inom en tusendels sekund. Därför är det inte förvånande att det har varit så svårt att bevisa experimentellt exakt hur en katalysator bestående av fyra manganjoner och en kalciumjoner (Mn4Ca-kluster) utför reaktionsförloppet i fotosystem II. Nästan alla molekylära detaljerna vi i dag ”vet” om de sista kritiska stegen bygger på beräkningar. Johannes Messinger och hans forskargrupp vid Umeå universitet har nu undersökt två olika sätt för att få en experimentell inblick i mekanismen för syrebildning.

I den första studien har forskarna bromsat reaktionssekvensen mer än 40 gånger genom byta ut kalcium i klustret mot strontium, och en närliggande kloridjon mot en jodidjon.

– Vi kunde visa att i det sista kortlivade mellantillståndet innan syrgas bildas, blir de två vattenmolekylerna ”arresterade”, vilket innebär att de är mer än 1000 gånger starkare bundna till Mn4Ca-klustret än i alla tidigare stadier i reaktionsförloppet. Stabiliseringen tros enligt en tidigare studie vara orsakad av förlust av en proton och reflekterar vilket alldeles särskilt välordnat system som krävs för snabb och energieffektivt bildande av syre från vatten.

Resultatet erhölls med hjälp av syreisotopmärkning och masspektrometri.

I den andra studien använde Johannes Messinger och hans medarbetare en frielektronröntgenlaser,  Linac Coherent Light Source (Menlo Park, USA), som producerar extremt korta högintensiva röntgenpulser (10-15 av en sekund). När pulserna träffar de mikrometerstora fotosystem II-kristallerna mättes proven samtidigt med röntgenkristallografi och röntgenemissionsspektroskopi.

– Med denna teknik studerade vi samma reaktionssekvens och fick ”ögonblicksbilder” av hur atomerna strukturerades när klustrets genomgick olika stadier, däribland det kortlivade tillståndet i slutfasen, vilket undersöktes i den första studien.

Deras data visade att inga storskaliga strukturella förändringar (> 0.5 · 10-10 m) förekom i Mn4Ca -klustret och övriga delar av fotosystem II-komplexet under syrebildningen. Insamlad röntgenemissionsdata bekräftar att ”arresteringen” av de två bundna vattenmolekylerna, som observerades i de masspektrometriska experimenten, inte beror på en förändring i laddning (oxidationstillstånd) av manganjoner i Mn4Ca-klustret, och inte heller på bildandet av en första bindning mellan syreatomerna hos de två vattenmolekylerna.

– Studien tyda på att små strukturella förändringar sker i samband med protonavgivandet, men vi behöver fortfarande ytterligare förbättra upplösningen av våra data för att se exakt vad som händer.

Den första studien genomfördes i samarbete med två franska forskare. Den andra studien genomfördes inom ett internationellt team med mer än 40 forskare.

FAKTA

Artificiell fotosyntes
I sökandet efter en ren och hållbar energikälla studerar forskare vid Umeå universitet fotosyntesen med syfte att skapa en artificiell fotosyntes. Forskarnas mål är att förstå och modellera de komplexa biokemiska reaktioner som äger rum i växternas celler under fotosyntesen för att sedan efterhärma och konstruera ett konstgjort löv, en integrerad enhet, som kopplar samman alla viktiga processer. Om det lyckas skulle det bli möjligt att förvandla vatten med hjälp av solljus direkt till syre och miljövänligt bränsle i form av vätgas.

Originalartiklar i Nature Communications:

Studie 1: http://www.nature.com/ncomms/2014/140704/ncomms5305/full/ncomms5305.html

Studie 2: http://www.nature.com/ncomms/2014/140709/ncomms5371/full/ncomms5371.html