Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory und des Lawrence Berkeley National Laboratory (zusammen mit Mitarbeitern in Schweden, Deutschland und dem Vereinigten Königreich) haben ein neues Licht auf den letzten Schritt der Photosynthese geworfen. Sie beobachteten im atomaren Detail, wie Photosystem II, ein in Pflanzen vorkommender Proteinkomplex, eine Umwandlung durchläuft, die zum Verlust eines zusätzlichen Sauerstoffatoms führt. Wissenschaftler glauben, dass die Entdeckungen dazu beitragen werden, einen Fahrplan für die Optimierung sauberer Energiequellen bereitzustellen. „Das wird unsere Einstellung zum Photosystem II wirklich verändern“, sagte Uwe Bergmann, Wissenschaftler und Professor an der University of Wisconsin-Madison, der Co-Autor der Veröffentlichung.
Die Forscher machten „extrem hochauflösende Bilder“ von verschiedenen Stadien des Prozesses (bei Raumtemperatur) und gaben ihnen neue Einblicke, wie und wo der Sauerstoff produziert wird. Baseball kann eine einfache (wenn auch etwas erzwungene) Metapher liefern, um den Prozess zu veranschaulichen. „Das Zentrum durchläuft vier stabile Oxidationsstufen, bekannt als S0 bis S3, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird“, erklärt SLAC. „Auf einem Baseballfeld wäre S0 der Beginn des Spiels, wenn ein Spieler auf der Heimatbasis bereit ist, zum Schlag zu gehen. S1-S3 wären Spieler auf den Plätzen eins, zwei und drei.“ Basierend auf dieser Metapher bedeutet ein Schlagmann, der Kontakt herstellt, um die Läufer voranzutreiben, dass der Komplex ein Sonnenlichtphoton absorbiert. „Wenn der vierte Ball getroffen wird, rutscht der Spieler ins Tor und erzielt einen Lauf oder setzt im Fall von Photosystem II ein Molekül atembaren Sauerstoffs frei.“ Es ist diese Endphase (S4, zwischen der dritten Basis und dem Gleiten nach Hause in unserer Metapher), die sie zum ersten Mal abgebildet haben, wo sich zwei Sauerstoffatome verbinden, um ein Sauerstoffmolekül freizusetzen, was zusätzliche Schritte enthüllt, die zuvor nicht gesehen wurden.
Das folgende Video veranschaulicht den Prozess und die Entdeckungen des Teams.
„Der größte Teil des Prozesses, der atembaren Sauerstoff produziert, findet in diesem letzten Schritt statt“, sagte Vittal Yachandra, Wissenschaftler am Berkeley Lab und Co-Autor des in veröffentlichten Artikels Natur. „Aber an verschiedenen Stellen von Photosystem II passieren mehrere Dinge, die am Ende alle zusammenkommen müssen, damit die Reaktion erfolgreich ist. So wie beim Baseball Faktoren wie die Position des Balls und die Position der Basemen und Feldspieler die Bewegungen eines Spielers beeinflussen, um zur Homebase zu gelangen, beeinflusst die Proteinumgebung um das katalytische Zentrum, wie sich diese Reaktion abspielt.“
Die Forscher erwarten, dass später in diesem Jahr ein Röntgen-Upgrade mehr Licht in den Prozess bringen wird. Es wird eine Wiederholungsrate von bis zu einer Million Impulsen pro Sekunde verwenden, gegenüber den 120 pro Sekunde, die in diesem Experiment verwendet wurden. „Mit diesen Upgrades werden wir in der Lage sein, Daten von mehreren Tagen in nur wenigen Stunden zu sammeln“, sagte Bergmann. „Wir werden auch in der Lage sein, weiche Röntgenstrahlen zu verwenden, um die chemischen Veränderungen, die im System stattfinden, besser zu verstehen. Diese neuen Fähigkeiten werden diese Forschung weiter vorantreiben und ein neues Licht auf die Photosynthese werfen.“
Das Team glaubt, dass die Ergebnisse ihnen helfen werden, „künstliche Photosynthesesysteme zu entwickeln, die die Photosynthese nachahmen, um natürliches Sonnenlicht zu ernten, um Kohlendioxid in Wasserstoff und kohlenstoffbasierte Brennstoffe umzuwandeln“. Jan Kern, ein weiterer Co-Autor und Wissenschaftler am Berkley Lab, sagte: „Je mehr wir darüber erfahren, wie die Natur es tut, desto näher kommen wir der Anwendung derselben Prinzipien in menschengemachten Prozessen, einschließlich Ideen für künstliche Photosynthese als sauberes und nachhaltige Energiequelle.“
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