Vattnets väg till syre avslöjat med högupplösta mikroskopbilder

Genom att generera extremt högupplösta bilder i ett kryo-elektronmikroskop, på en nivå som aldrig tidigare uppnåtts för jämförbara komplex, har forskare vid Umeå universitet i samarbete med forskare i Berlin avslöjat väteatomernas och vattenmolekylernas positioner i fotosyntesen. Detta genombrott öppnar en ny möjlighet att avslöja hur vatten spjälkas till syre – en process som är avgörande för livet på jorden liksom för att kunna skala upp förnybara energisystem.

I fotosyntesen använder ett proteinkomplex som kallas Photosystem II energin från solljus för att oxidera vatten till molekylärt syre, och frigör elektroner och protoner som är nödvändiga för att omvandla koldioxid till kolhydrater i form av stärkelse i växter. Det är dessa gasomvandlingsreaktioner som format vår biosfär och atmosfär: utveckling av syre och reducering av koldioxid.

Genom att använda ett kryo-elektronmikroskop har forskare genererat en tredimensionell atomär strukturkarta med 1,7 Å upplösning av Photosystem II från cyanobakterien Thermosynechococcus vestitus. Studien har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science.

– Denna upplösning är ett nytt rekord för ett membranproteinkomplex, oavsett metod eller art. Vid denna upplösning kan en stor del av proteinets väteatomer detekteras. Det är första gången det har uppnåtts för ett så enormt proteinkomplex, säger Wolfgang Schröder, professor emeritus vid Institutionen för fysiologisk botanik vid Umeå universitet.

Den högupplösta strukturen möjliggjorde också identifiering av vattenmolekyler vilket saknats i tidigare strukturer. Kunskapen om både vätets och vattnets positioner krävs för att förstå hur vatten kommer in till det område där katalysen sker genom förlängda kanaler och hur protoner leds ut därifrån.

– Dessa processer är avgörande för effektiv vattenoxidation med hjälp av
billiga metaller som det finns god tillgång på och som för närvarande
inte kan efterliknas på ett adekvat sätt i artificiella system, säger
Wolfgang Schröder.

Genom att spjälka vatten med billiga, vanligt förekommande metaller i stället för som idag sällsynta och dyra sådana hoppas man att lättare kunna utveckla framtida energibärare.

Om studien

Rana Hussein, André Graça, Jack Forsman, A Orkun Aydin, Michael Hall, Julia Gaetcke, Petko Chernev, Petra Wendler, Holger Dobbek, Johannes Messinger, Athina Zouni, Wolfgang Schröder, Cryo-electron microscopy reveals hydrogen positsions and water networks in photosystem II, Science 21 jun 2024i, DOI: 10.1126/science.adn6541

Läs artikeln i Science

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6541

För mer information, kontakta gärna:

André Graça, doctorand, Kemiska institutionen, Umeå universitet
E-post: andre.graca@umu.se
Telefon: 072-205 68 16

Wolfgang Schröder, professor emeritus, Institutionen för fysiologisk botanik, Umeå universitet
E-post: wolfgang.schroder@umu.se
Telefon: 070-589 97 29

Johannes Messinger, professor, Institutionen för fysiologisk botanik, Umeå universitet
E-post: johannes.messinger@umu.se
Telefon: 070-167 984 32