XFEL visar sista millisekunderna i bildandet av syre

Nu har forskare för första gången kunnat se det avgörande, sista steget i reaktionscykeln för fotosystem II, då syre bildas. Med hjälp av seriell femtosekund-kristallografi som utförs med XFEL-tekniken har de lyckats få fram mer information om samspelet mellan fotosystem II och Mn/Ca-kluster. Det visar en ny studie från Uppsala universitet som publiceras i tidskriften Nature.

Peer-review/ Experimental study /Cells

Syret vi andas produceras av växter, alger och cyanobakterier, som använder solljus för att få energi till att ge drivkraft åt bildningen av syre. Det sker genom enzymet fotosystem II, ett proteinkomplex som spjälkar vatten till vätejoner och syre i fotosyntesen. Nu har forskare lyckats se de sista, avgörande stegen i den katalytiska mekanismen som leder till att syre frigörs.

Att veta mera om hur vattenspjälkningsprocessen i fotosystem II fungerar i detalj, är viktigt för både biologer, kemister och fysiker. För kemister är det särskilt viktigt att kunna förstå hur den komplicerade omvandlingen av två vattenmolekyler till en syremolekyl kan katalyseras så effektivt av de billiga och vanligt förekommande metallerna mangan (Mn) och kalcium (Ca). När samma reaktion ska göras i laboratorium krävs dyra och sällsynta ädelmetaller.

Därför har det under de senaste decennierna forskats intensivt för att få kunskap om hur man kan bestämma strukturen hos fotosystem II och dess Mn/Ca-kluster. Det har emellertid visat sig att det inte räcker att känna till katalysatorns statiska strukturer under den katalytiska cykeln för att förstå hur vattenspjälkning och syreproduktion fungerar. Det behövs också dynamisk information om hur proteinmiljön bidrar till den solljusdrivna övergången från en reaktionsintermediär till nästa. Det är först nyligen som det blivit möjligt att ta tidsupplösta ögonblicksbilder för att fånga mycket kortlivade tillstånd med en teknik som kallas seriell femtosekund-kristallografi som utförs vid frielektronlasrar för röntgendiffraktion, förkortat XFELs.

Som ett resultat av ett 25 år långt samarbete mellan forskare som arbetar i USA, Tyskland och Sverige var det möjligt för författarna till den aktuella studien att använda XFEL-tekniken för att för första gången titta på det avgörande, sista steget i reaktionscykeln för fotosystem II, då syre bildas. Fram till nu har det setts som omöjligt att få fram detaljer om detta reaktionssteg, men studien ger detaljrik ny information om det invecklade samspelet mellan proteinmiljön och Mn/Ca-klustret. Man kan nu se hur vätejoner frigörs via en strukturellt kontrollerad kanal, och hur sedan katalysatorn återvänder till sitt starttillstånd via vattenbindning och omarrangemang av aminosyror runt Mn/Ca-klustret.

- Vi hoppas att vår studie bidrar med kunskap om hur vattenspjälkning fungerar, men även om katalys i redoxenzymer i allmänhet. Utifrån våra resultat kan det i framtiden bli möjligt att designa effektiva syntetiska katalysatorer för vattenoxidation av vanligt förekommande och billiga metaller. Det är förutsättningen för att skala upp till exempel vätgasproduktionen från vatten med hjälp av solljus eller förnybar el, säger Johannes Messinger.

Artikel: "Structural evidence for intermediates during O₂ formation in Photosystem II"; Article no. 2022-11-18338B; DOI 10.1038/s41586-023-06038-z, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06038-z

För mer information:

Johannes Messinger, professor vid institutionen för kemi - Ångström, Uppsala universitet, johannes.messinger@kemi.uu.se, telefon: 018-471 36 71, 070-167 98 43