Höghastighetsfilm avslöjar fotsyntesens ultrasnabba protein

Nästan allt liv på jorden får energi från fotosyntesens kemiska reaktioner. Dessa ljusdrivna reaktioner förekommer i både växter, alger och fotosyntetiserande bakterier.

Med hjälp av detaljerade kristallstrukturer av ett protein kan forskare få mycket information om hur fotosyntetiserande bakterier utför sin biologiska uppgift.

Röntgenfilm visar strukturella förändringar i ett protein

I den aktuella studien, som nu publiceras i Nature, använde forskarna en metod som kallas tidsupplöst kristallografi för att göra en film av de strukturella förändringar som sker inom det protein, som ansvarar för fotosyntesens ljusdrivna kemiska reaktioner i bakterieceller.

För att uppnå detta använde de en röntgenkälla i Kalifornien (en så kallad röntgen-frielektronlaser) för att undersöka om strukturella förändringar i fotosyntetiska proteiner förekommer på så kort tid, som det tar ljus att korsa ett avstånd motsvarande tjockleken av ett hårstrå. Anmärkningsvärt nog visade experimenten att proteinet ändrar struktur under den tidsskalan.

Små rörelser i proteinet syntes

Forskarna vid Göteborgs universitet konstaterade att dessa rörelser var mycket subtila, där både elektrongivaren (en kemisk grupp som tar upp ljus och släpper ifrån sig en elektron) och elektronacceptorn (en kemisk grupp två nanometer bort som tar emot elektronen) rör sig mindre än 0,03 nm (1 nm = en miljondels millimeter) på 300 pikosekunder (en pikosekund är en miljondels miljondels sekund).

Dessutom gjorde proteinet en mycket liten strukturändring som bevarar energin i reaktionen genom att förhindra att elektronen går tillbaka till elektrongivaren.

Enligt forskarna visar resultaten hur evolutionen, under miljarder år, har optimerat proteiner som använder energi från solljus till att utföra redoxreaktioner utan att energin går förlorad i processen.

Källan till nästan allt liv

– Fotosyntes är den primära energikällan för nästan allt liv på jorden. Våra strukturella resultat ger ny insikt i hur evolutionen har optimerat elektronernas ljusdrivna rörelser inom fotosyntesen för att uppnå nästan perfekt effektivitet, säger Richard Neutze, professor i biokemi vid Göteborgs universitet och ansvarig för studien.

Vid MAX IV-laboratoriet i Lund bygger Sverige en experimentstation som gör det möjligt för forskare att studera hur proteinstrukturförändringar sker hos andra biologiskt viktiga proteiner med hjälp av samma metoder.

Vetenskaplig artikel:

Ultrafast structural changes within a photosynthetic reaction centre (Robert Dods et al.) (Nature)

Kontakt:

Richard Neutze, professor vid institutionen för kemi och molekylärbiologi vid Göteborgs universitet, richard.neutze@gu.se
Gisela Brändén, universitetslektor vid institutionen för kemi och molekylärbiologi vid Göteborgs universitet, gisela.branden@gu.se
Petra Båth, postdok, petra.bath@gu.se