NYHET Växter använder solljus för att omvandla vatten och koldioxid till energirika biomolekyler såsom socker. Som ”biprodukt” släpps syre ut i luften. Men hur vattnet leds till den del av systemet där de allra första stegen i denna process sker – det katalytiska centret för vattenspjälkning – har länge varit oklart. Nu har forskare avslöjat en detaljerad struktur av detta system i växter och funnit vad de beskriver som en ”vattenventil” som reglerar hur vatten transporteras i fotosyntesen.
Strukturen hos proteinkomplexet i fotosystem II från Arabidopsis thaliana, framställd med hjälp av kryoelektronmikroskopi (total upplösning: 2,44 Å; lokal upplösning illustrerad med färg: 2,0 violett, 2,5 blå, 3,0 grön, 3,5 gul).
Bild Jack ForsmanGenom att jämföra strukturerna hos fotosystem II från Arabidopsis och cyanobakterier kunde vi se vilka områden som är identiska och därmed funktionellt viktiga
För två år sedan presenterade forskare från Umeå universitet den mest högupplösta strukturen av fotosystem II i cyanobakterier. Fotosystem II är den del av fotosyntesens maskineri som fångar ljus och initierar reaktionen där vatten spjälkas. Med hjälp av kryoelektronmikroskopi kunde de för första gången urskilja enskilda vattenmolekyler och väteatomer i systemet.
Nu har forskarteamet, lett av Johannes Messinger, tagit nästa steg och kartlagt motsvarande struktur hos växter, närmare bestämt hos Arabidopsis eller backtrav. Studien, som publicerats i New Phytologist, jämför fotosystem II mellan växter och fotosyntetiska bakterier och visar hur det har utvecklats oberoende av varandra under nästan en miljard år.
- Genom att jämföra strukturerna hos fotosystem II från Arabidopsis och cyanobakterier kunde vi se vilka områden som är identiska och därmed funktionellt viktiga, säger Johannes Messinger, professor vid Umeå universitet och gruppledare vid Umeå Plant Science Centre.
- De delar som varierar verkar däremot vara mindre avgörande för funktionen, eftersom de kan förändras utan att det påverkar fotosyntesen.
Ett av de första stegen i fotosyntesen är spjälkning av vattenmolekylen, den reaktion som frigör syre och förser fotosyntesen med elektroner och den del av energin som behövs för att omvandla koldioxid till socker. Det är denna del av processen som forskarna nu kunnat studera i detalj.
Johannes Messinger vill förstå hur vatten spjälkas på molekylär nivå under fotosyntesen.
Bild Mattias PetterssonTeamet fokuserade särskilt på hur vattenmolekyler rör sig genom fotosystem II och hur de samspelar med det manganhaltiga katalytiska centret, där själva spjälkningen av vatten sker.
- Vi tittade på vattenmolekyler och vattenkanaler i båda strukturerna. Runt det katalytiska centret var de nästan identiska, vilket tyder på att vattenmolekylernas placering är avgörande för fotosystem II:s funktion, säger Jack Forsman, en av studiens två förstaförfattarna.
- Längre bort var bilden dock helt annorlunda och kanalerna skilde sig avsevärt åt.
Forskarna identifierade en smal flaskhals i en av vattenkanalerna. Den ligger precis före katalytiska centret och föreslås fungera som en slags ”ventil” som kontrollerar hur vatten tillförs till reaktionsplatsen.
- Före ’vattenventilen’ är kraven på kanalernas utformning ganska låga. Därför kan de variera mellan växter och cyanobakterier utan att det påverkar funktionen, säger Wolfgang Schröder, medförfattare och ledare för den tidigare studien.
- Efter flaskhalsen måste vattenmolekylerna däremot befinna sig i exakt rätt positioner för att kunna samspela korrekt med det katalytiska centret.
Våra data visar tydligt att det inte räcker att utforma själva metallkatalysatorn - även det omgivande vattennätverket är avgörande
Insikterna om hur vatten transporteras och positioneras i fotosystem II kan hjälpa forskare att utveckla material för artificiell fotosyntes - tekniker som omvandlar vatten, koldioxid och solljus till bränslen. Idag är sådana reaktioner ofta beroende av sällsynta och dyra metaller, men naturen visar at det går att använda mer lättillgängliga grundämnen som mangan. Det öppnar upp nya möjligheter för mer hållbara energitekniker.
- Våra data visar tydligt att det inte räcker att utforma själva metallkatalysatorn - även det omgivande vattennätverket är avgörande, säger Johannes Messinger.
- Framöver kommer vi studera hur dessa flaskhalsar påverkar vattenflödet och vattenspjälkningsförloppet, samt undersöka fotosystem II hos ytterligare arter.
Jack Forsman (till höger), André T. Graça (till vänster) och Wolfgang Schröder (mitten). Forsman och Graça är medförfattare till studien, som leds av Johannes Messinger och Wolfgang Schröder.
Bild André T. GraçaJack Forsman, André T. Graça, Abuzer Orkun Aydin, Michael Hall, Rana Hussein, Wolfgang P. Schröder och Johannes Messinger, The structure of intact and active Photosystem II from Arabidopsis thaliana at 2.44 Å resolution, New Phytologist 2026, DOI: https://doi.org/10.1111/nph.71085.
