Showtime для фотосинтеза

Используя уникальную комбинацию наноразмерных изображений и химического анализа, международная команда исследователей раскрыла ключевой шаг в молекулярном механизме реакции расщепления воды при фотосинтезе, что может помочь в разработке технологии использования возобновляемых источников энергии.

«Жизнь зависит от кислорода, который растения и водоросли отделяют от воды; как они это делают, до сих пор остается загадкой, но ученые, включая нашу команду, медленно отрывают слои, чтобы получить ответ», — сказал Виттал К. Ячандра, соавтор. — ведущий автор нового исследования, опубликованного в PNAS, и старший научный сотрудник-химик в лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики (DOE) (лаборатория Беркли). «Если мы сможем понять этот этап естественного фотосинтеза, это позволит нам использовать эти принципы проектирования для создания искусственных фотосинтетических систем, которые производят чистую и возобновляемую энергию из солнечного света и воды».

С помощью инструмента, разработанного и изготовленного командой, они проанализировали фотосинтетические белки, используя рентгеновскую кристаллографию и рентгеновскую эмиссионную спектроскопию. Этот двойной подход, который группа исследователей впервые и усовершенствовала в течение последних 10 лет, одновременно генерирует информацию о химической структуре и структуре белка из одной и той же пробы. Получение изображений проводилось с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в LCLS в Национальной лаборатории SLAC и в SACLA в Японии.

«Используя эту технику, мы получаем общую картину того, как динамически изменяется вся структура белка, и мы видим химические тонкости, происходящие в месте реакции», — сказал соавтор Джунко Яно, старший научный сотрудник-химик из лаборатории молекулярной биофизики и комплексной медицины Berkeley Lab. Отдел биоизображения (MBIB). «Рентгеновский лазер на свободных электронах генерирует чрезвычайно яркие, короткие вспышки рентгеновских лучей, которые позволяют нам не только анализировать белок при комнатной температуре, как это происходит в природе, но и захватывать различные моменты в масштабе времени реакции. «.

Традиционные методы кристаллографии часто требуют, чтобы образцы белка были заморожены; следовательно, они могут генерировать только снимки статических белков. Это ограничение мешает ученым понять, как на самом деле ведут себя белки в живых организмах, потому что молекулы изменяются между различными физическими состояниями во время химических реакций.

«Реакция расщепления воды при фотосинтезе — это циклический процесс, требующий четырех фотонов и циклов между четырьмя устойчивыми состояниями», — сказал Яно. «Раньше мы могли снимать только эти четыре состояния. Но, сделав несколько снимков во времени, теперь мы можем визуализировать, как одно состояние переходит в другое».

«Мы очень хорошо увидели, как структура постепенно меняется при переходе из одного состояния в другое», — сказал Ян Ф. Керн, химик и соавтор MBIB. «Это довольно захватывающе, потому что мы можем видеть« причину и следствие »и роль, которую каждый движущийся атом играет в этом переходе».

Николас Саутер, соавтор и старший научный сотрудник MBIB, добавил: «По сути, мы пытаемся снять« фильм »о химической реакции. Мы добились большого прогресса, чтобы достичь этой точки зрения, с точки зрения нашего технологии и наш вычислительный анализ. Работа нашего соавтора Пола Адамса и других в MBIB имела решающее значение для интерпретации данных XFEL и рентгеновских лучей. Но нам все еще нужно получить другие кадры, чтобы увидеть, как завершается реакция и фермент. готов к следующему циклу. «

Исследователи из лаборатории Беркли надеются продолжить этот проект после того, как многие исследовательские центры, на которые опирается вся международная команда — расположенные в США, Японии, Швейцарии и Южной Корее, — будут нормально работать после пандемии COVID-19.

В заключение Керн отметил, что технологическая веха, представленная в этом документе, значительно выиграла от разнообразного опыта авторов из университетов SLAC, Упсала и Умео в Швеции, Университета Гумбольдта в Германии, а также от возможностей пяти пользовательских учреждений Министерства науки и науки Министерства энергетики: Стэнфордский источник синхротронного излучения и LCLS в Стэнфордском университете, а также Усовершенствованный источник света, Сеть наук об энергии и Национальный научный вычислительный центр по энергетическим исследованиям в Беркли.

Другие ученые лаборатории Беркли, которые внесли свой вклад в эту работу: Рухира Чаттерджи, Луиза Лассаль, Кайл Д. Сазерлин, Ирис Д. Янг, Шераз Гул, Ин-Сик Ким, Филипп С. Саймон, Изабель Богач, Синди К. Фам, Николас Сайчек Трент Нортен, Асмит Боумик, Роберт Болотовский, Дерек Мендез, Найджел В. Мориарти, Джеймс М. Холтон, Аарон С. Брюстер и Дэвид Скиннер.

Это исследование было поддержано главным образом Министерством науки Министерства энергетики и грантами Национального института здравоохранения.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Анимация, показывающая структурные изменения Фотосистемы II и ее каталитического центра в процессе реакции окисления воды.

---

Ссылка на журнал :

1. Мохамед Ибрагим, Томас Франссон, Рухира Чаттерджи, Мун Хон Чеа, Рана Хуссейн, Луиза Лассаль, Кайл Д. Сазерлин, Ирис Д. Янг, Франклин Д. Фуллер, Шераз Гюль, Ин-Сик Ким, Филипп С. Саймон, Каспер де Лихтенберг , Петко Чернев, Изабель Богач, Синди К. Фам, Аллен М. Орвилл, Николас Сайчек, Трент Нортен, Александр Батюк, Серхио Карбахо, Роберто Алонсо-Мори, Кенсуке Тоно, Шигеки Овада, Асмит Боумик, Роберт Болотовский, Дерегель Менде В. Мориарти, Джеймс М. Холтон, Хольгер Доббек, Аарон С. Брюстер, Пол Д. Адамс, Николас К. Саутер, Уве Бергманн, Афина Зоуни, Йоханнес Мессингер, Ян Керн, Виттал К. Ячандра, Юнко Яно. Распутывание последовательности событий при переходе S2 → S3 в фотосистеме II и последствия для механизма окисления воды .Известия Национальной академии наук , 2020; 202000529 DOI: 10.1073 / pnas.2000529117