Nya rön om vattendelningsreaktionen i fotosystem II

Genom att kombinera isotopmärkning, magnetisk resonans, röntgenemission och kristallografi diskuterar Casper de Lichtenberg i sin avhandling vilka vattenmolekyler, som är bundna i det aktiva sätet i fotosystem II, som är de reaktiva och hur den vattendelande reaktionen fortskrider. Han försvarar sina resultat den 11 september vid Umeå universitet.

Fotosyntes är en av de viktigaste kemiska processerna för livet på jorden. Genom denna process skördas solens energi och används för att ta ifrån vattenmolekylen dess väteatomer och elektroner som kan användas för produktion av högenergimolekyler. Samtidigt släpps syremolekylerna ut i luften till atmosfären som vi andas in. Denna reaktion orkestreras av fotosystem II som finns i de gröna delarna av växter, alger och cyanobakterier.

I samband med industrialiseringen introducerades användningen av fossila bränslen för att driva vårt samhälle. Den accelererade användningen av fossila bränslen leder till global uppvärmning som snart kan komma att resultera i en ökning av medeltemperaturen på 2 grader Celsius. Följaktligen har det gjorts enorma ansträngningar för att utveckla alternativa bränslekällor som är koldioxidneutrala eller koldioxidfria.

Särskilt fotosystem II har fått stor uppmärksamhet, eftersom dess aktiva säte består av metaller (som finns i stora mängder i naturen) och eftersom de elektroner och vätemolekyler som produceras i den katalytiska processen kan användas för att producera bränslen med hög energi. Således har detta system blivit det främsta exemplet för hur ljusdrivna syntetiska vattenoxidationskatalysatorer så småningom ska kunna efterliknas och modelleras, så kallad artificiell fotosyntes.

Tyvärr är den exakta kemin som sker vid det aktiva sätet fortfarande höljd i dunkel eftersom identiteten hos de vattenmolekyler som deltar i syrebindningsformationen inte har kartlagts. Således har Casper de Lichtenberg ägnat sina doktorandstudier åt identifiering av dessa vattenmolekyler.

Eftersom fotosystem II utför sin reaktion i vatten, kan arbetet med att skilja vattnet som deltar i reaktionen från resten av vattnet liknas med att skilja en droppe vatten från resten av havet.

– För att förbigå detta problem har jag studerat vattendelningsreaktionen i fotosystem II med metoder som utnyttjar att det reaktiva vattnet är bundet till det aktiva sätet. Genom att injicera isotopmärkt vatten i provet kunde jag bestämma hur snabbt det inkorporeras där det reaktiva vattnet sitter, genom att mäta den magnetiska resonanssignalen från vattenliganderna till det aktiva sätet och genom att mäta massan av det producerade syret. Detta ger direkt kemisk information om hur de reaktiva vattenmolekylerna är bundna.

För att rationalisera denna information är det bra att känna till den fysiska och elektroniska strukturen på det aktiva sätet där det reaktiva vattnet är bundet. Under sina doktorandstudier har Casper de Lichtenberg också deltagit i experiment där forskarteamet har bestämt strukturen för alla stabila mellanprodukter i reaktionscykeln.

– Vi har dessutom tagit steg mot att skapa de första molekylära filmerna av vattendelningsreaktionen genom att avbilda strukturerna vid olika tidpunkter mellan dessa intermediära strukturer.

Läs hela avhandlingen

Pressbilder. Foto: David Naylor

Om disputationen

Fredagen den 11 september försvarar Casper de Lichtenberg, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, sin avhandling med titeln: Time-resolved Structural and Mechanistic Studies of Water Oxidation in Photosystem II: water here, water there, water everywhere

Disputationen äger rum klockan 13:00, i Glasburen, KBC-huset
Fakultetsopponent är Professor Dr. Holger Dau, Department of Physics, Freie Universität Berlin, Berlin, Germany.

För mer information, kontakta gärna:

Casper de Lichtenberg, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
Telefon: +45 25-48 41 46
E-post: casper.de.lichtenberg@umu.se