Nya bilder ökar förståelsen av fotosyntesen

2018-11-08

Fotosystem II är proteinkomplexet som spjälkar vatten till vätejoner och syre i fotosyntesen.

I en ny studie publicerad i tidskriften Nature visar ett internationellt forskarlag bilder av det proteinkomplex som spjälkar vatten till vätejoner och syre i fotosyntesen. Bilderna kan hjälpa forskare att förstå den komplicerade vattenspjälkningsmekanismen och öppna upp för utvecklingen av effektiva och prisvärda system för att framställa solbränslen.

När jorden bildades var atmosfären rik på koldioxid och innehöll inget syre. De tidigaste livsformerna, jämförbara med dagens mikroorganismer, tillfredsställde sina energibehov genom att ”äta” små energirika molekyler. Så småningom upptäckte några organismer hur solenergi kan utnyttjas genom att lagra energin i energirika föreningar, till exempel i form av socker. Men det var inte förrän dessa tidiga livsformer klarade att extrahera elektroner och vätejoner från vattenmolekyler som evolutionen tog fart och banade väg för livet på jorden som det är i dag. En explosion av biologisk mångfald blev möjlig tack vare rik tillgång på solenergi och vatten. När fotosyntesens restprodukt, syre, ökade i mängd i atmosfären, ledde det till utvecklingen av alla djur som behöver syre för att andas.

Det är nu 50 år sedan Bessel Kok fastlade att biologisk vattenoxidation sker genom en femstegsreaktion kallad fotosystem II. Reaktionen sker med hjälp av en katalysator som ackumulerar fyra oxidationer innan själva vattenspjälkningen äger rum snabbt, och i ett svep. Även om man sedan tidigare har kunnat framställa högupplösta strukturbilder av fotosystem II i sitt mest stabila tillstånd, i mörker, så har själva de förändringar som äger rum under femstegsreaktionen varit ganska okända.

Bilder av alla steg underlättar förståelsen av processen

Genom att använda ultrasnabba laserpulser av röntgenstrålning, har ett internationellt forskarlag nu lyckats med att ta bilder av fotosystem II i alla steg av vattenspjälkningsreaktionen. Med hjälp av en röntgen-frielektronlaser vid Stanforduniversitetet i USA har man kunnat få högupplösta ögonblicksbilder av alla de individuella stegen i reaktionscykeln, men även av några steg mellan de mer stabila tillstånden. Professor Johannes Messinger och hans forskargrupp vid institutionen för kemi vid Ångströmlaboratoriet, Uppsala universitet, deltog i experimenten.

– Jag har arbetat i 30 år för att förstå mekanismen för vattenoxidation i fotosyntesen. Resultatet är en dröm som gått i uppfyllelse! De här nya bilderna kommer att underlätta vår förståelse av den här komplicerade reaktionen på en detaljnivå som vi tidigare trodde var omöjlig, säger Johannes Messinger.

Forskarna tror att förståelsen av hur de vanliga metallerna mangan och kalcium kan användas i fotosystem II för att skapa den bästa vattenoxiderande katalysator man känner till, kan hjälpa kemister att skapa liknande katalysatorer. Det skulle öppna upp för utvecklingen av billiga och effektiva system som framställer solbränsle, alltså bränslen som framställts av solenergi. I ett solbränsle lagras solenergin i form av kemiska bindningar, i till exempel vätgas eller andra bränslen som kan framställas med hjälp av luftens koldioxid och kvävgas.

– Solbränslen är helt fria eller neutrala med avseende på koldioxidutsläpp, och bidrar därför inte till klimatförändringar. Solbränslen kommer att behövas för att förändra det fossilbaserade energisystemet till ett system baserat på förnybar energi. Behovet blir uppenbart om man tänker på att 80 procent av den globala energianvändningen är i form av bränslen. Även i Sverige sker över 50 procent av vår energianvändning i form av bränsle och bara 34 procent som el, säger Johannes Messinger.

---

Publikation

Structures of the intermediates of Kok’s photosynthetic water oxidation clock, Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0681-2
http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0681-2