NYHET Forskarna tillägnar sig allt mer kunskap om hur växter spjälkar vattenmolekyler till syre genom experimentella studier på molekylnivå. En internationell forskargrupp har nu funnit ett sätt att skapa högupplösta bilder av denna reaktion, vilken sker i fotosystem II. Resultaten publiceras i dag i tidskriften Nature.
Strukturen hos komplexet i fotosystem II, där syrgas håller på att produceras, i ett ljus-aktiverat tillstånd. Vattenmolekyler visas som blå sfärer, de fyra manganjoner i lila, kalciumjonen i grönt och de överbryggande syrejonerna i rött. Det blå nätet illustrerar experimentell elektrondensitet och de blå pinnarna är proteinsidokedjor som håller ihop det katalytiska komplexet.
– Det här är ett genombrott! Vår studie banar väg för förståelse av hur en syremolekyl stegvis bildas av två vattenmolekyler, säger Johannes Messinger, professor i biologisk kemi vid Umeå universitet och en av de ledande forskarna i projektet.
Växter spelar en viktig roll när det gäller att motverka klimatförändringar. De använder solljus för att ta upp växthusgasen koldioxid ur atmosfären och omvandla den till biomassa. I samma veva producerar växterna även det syre vi andas genom att spjälka vatten till syrgas och biologiskt bundet väte. Denna process kan visa sig ännu viktigare för att rädda klimatet, för om man kan förstå vattenspjälkningen helt och hållet, kan man utveckla teknik som producerar vätgas (bränsle) av solenergi, mycket effektivare än växter kan producera biomassa.
I ett internationellt samarbetsprojekt har professor Johannes Messinger, som nyligen anslutit sig till programmet för molekylär biomimetik vid Uppsala universitet, funnit ett sätt att skapa en högupplöst bild av denna reaktion genom att använda en frielektronlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford-universitetet.
I studien som publiceras i veckans nummer av Nature, har forskarna utvecklat ett nytt sätt att framställa mikrokristaller av fotosystem II, det proteinkomplex i växter som producerar syre från vatten med hjälp av solljus. Mikrokristallerna placerades på ett löpande band med hjälp av en sorts bläckstråleteknik. På det löpande bandet belystes sedan mikrokristallerna med laserstrålar av grönt synligt ljus, för att starta vattenspjälkningsmekanismen. Under denna process går proteinkomplexet igenom ett antal mellanliggande tillstånd innan syre-syrebindningsreaktionen startar.
Strukturen hos de ljusaktiverade tillstånden i fotosystem II undersöktes genom att bestråla kristallerna med ultrasnabba pulser av röntgenstrålning (10-15s). I den vetenskapliga artikeln presenterar författarna hur de kunde urskilja strukturella skillnader mellan två av tillstånden (ett stabilt tillstånd i mörker och ett semi-stabilt tillstånd vid belysning).
– Nu är allt upplagt för att vi ska kunna ta itu med de sista återstående mysterierna kring hur växter tillverkar syre – en dröm har gått i uppfyllelse, säger Johannes Messinger.
För att nå fram till de lovande resultaten har forskargrupper från Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanforduniversitetet, Humboldtuniversitetet i Berlin, Umeå universitet och Uppsala universitet samarbetat i fem år.
Young, I. et al: Structure of photosystem II and substrate binding at room temperature. Nature (2016) Doi:10.1038/nature20161.www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20161.html
Johannes Messinger, Kemiska institutionenTelefon: 018-471 36 71
E-post: johannes.messinger@umu.se
Redaktör: Ingrid Söderbergh