Banbrytande rön om koldioxidens dubbla roll i fotosyntesen

Umeåforskare har funnit att koldioxid i form av vätebikarbonat har en reglerande funktion i spjälkningen av vattenmolekyler i fotosyntesen. Det betyder att koldioxid har ytterligare än roll förutom att bilda socker. De banbrytande resultaten publiceras i senaste numret av tidskriften PNAS.

Det är välkänt att oorganiskt kol i form av koldioxid omvandlas i en ljusdriven reaktion – fotosyntes – till organiska föreningar i växters kloroplaster. Vad som är mindre känt är att koldioxid även påverkar hastigheten av den fotosyntetiska elektrontransporten i början av reaktionsförloppet och därför också fotosyntesens syrgasproduktion. Det upptäcktes av nobelpristagaren Otto Warburg och hans medarbetare i slutet av 50-talet.

Deras förklaring till den påskyndande effekten var vid den tidpunkten logisk då de förutsade att koldioxid var källan till det syre som växter producerar. Idén bevisades vara fel många år senare och i dag vet vi att vatten, H₂O, är källan till atmosfärens syre.

Effekten av oorganiskt kol på elektrontransporten i fotosyntesen har dock allt sedan Warburgs publikation lett till en inflammerat debatt bland fotosyntesforskare över hela världen och ett hundratals artiklar har publicerats inom området.

– Vår banbrytande studie sätter nu stopp på denna debatt!, säger Johannes Messinger, professor vid kemiska institutionen.

Hans forskargrupp har utvecklat mycket känsliga tekniker baserat på “Membrane Inlet Mass Spectrometry” som används för att mäta produktionen av gaser i fotosyntetiska prover under kontrollerade förhållande.

  Med den finkänsliga tekniken har de kunnat testa en tidigare hypotes om att HCO₃^- tar emot protoner i fotosystem II som producerats då vattenmolekyler spjälkas. Om så är fallet borde forskarna kunna spåra en ljusdriven produktion av koldioxid förutom syrgas.

Till sin glädje kunde forskarna detektera bildande av koldioxid i masspektrometriförsöken.

– Det verkar alltså som om två olika former av kol, vilka båda kommer från kolsyracykeln har optimala kemiska egenskaper för att utnyttjas som elektronmottagare, CO₂, i slutsteget av fotosyntesreaktionen och samtidigt som protonmottagare, HCO₃^-, i början av fotosyntesen, säger Johannes Messinger.

Resultaten öppnar upp för ett nytt forskningsfält där forskarna kan undersöka möjliga biologiska och ekologiska effekter av koldioxidens dubbla roller.

Artificiell fotosyntes
I sökandet efter en ren och hållbar energikälla studerar forskare vid Umeå universitet fotosyntesen med syfte att skapa en artificiell fotosyntes. Forskarnas mål är att förstå och modellera de komplexa biokemiska reaktioner som äger rum i växternas celler under fotosyntesen för att sedan efterhärma och konstruera ett konstgjort blad, en integrerad enhet, som kopplar samman alla viktiga processer. Om det lyckas skulle det bli möjligt att förvandla solljus till miljövänligt bränsle i form av vätgas.

Originalpublikation:
Sergey Koroidov, Dmitriy Shevela, Tatiana Shutova, Göran Samuelsson, Johannes Messinger: Mobile hydrogen carbonate acts as proton acceptor in photosynthetic water oxidation. Umeå University. DOI10.1073/pnas.1323277111 http://www.pnas.org/content/early/2014/04/03/1323277111.abstract?sid=7dd94e09-d974-4826-a288-fe4825f00f43

För mer information, kontakta gärna:
Johannes Messinger, kemiska institutionen
Telefon: 090-786 59 33
E-post: johannes.messinger@umu.se

www.solarfuels.se

Högupplöst foto Bildtext: Medarbetaren Sergey Koroidov arbetar i grönt ljus med masspektrometriförsöken.