Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die dem Phänomen der Photosynthese zugrunde liegen, kann erhebliche Fortschritte in den Bereichen Biotechnologie und erneuerbare Energien ermöglichen. Photosystem II (PSII), ein Proteinkomplex, spielt in diesem Prozess eine zentrale Rolle, indem er die Oxidation von Wasser katalysiert und mithilfe von Sonnenlicht Disauerstoff produziert, einen grundlegenden Schritt in der sauerstoffhaltigen Photosynthese. Trotz umfangreicher Forschung ist die Strukturdynamik von PSII während der Wasserspaltungsreaktion, insbesondere auf atomarer Ebene und auf kurzen Zeitskalen, weitgehend unerforscht.
Frühere Forschungen haben wertvolle Einblicke in die strukturellen Veränderungen im PSII während der Wasserspaltungsreaktion geliefert und sich dabei auf Zeitskalen im Mikrosekunden- bis Millisekundenbereich konzentriert. Es mangelt jedoch an hochauflösenden Strukturinformationen auf kürzeren Zeitskalen, insbesondere während der durch Lichtanregung induzierten Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen des Sauerstoff entwickelnden Komplexes (OEC), die für das Verständnis des Mechanismus der Wasseroxidation und des Sauerstoffs unerlässlich sind Evolution.
Um diese Forschungslücke zu schließen, nutzten Professor Michihiro Suga und Professor Jian-Ren Shen vom Research Institute for Interdisciplinary Science, Graduate School of Environmental, Life, Natural Science and Technology, Okayama University in Japan, die serielle Pump-Probe-Femtosekunden-Röntgenkristallographie (TR-SFX), eine Technik, die dafür bekannt ist, ultraschnelle Strukturänderungen in biologischen Makromolekülen mit bemerkenswerter räumlicher und zeitlicher Präzision zu erfassen.
Nach etablierten Protokollen wurden PSII-Mikrokristalle sorgfältig vorbereitet und einer Lichtanregung mit einem oder zwei Laserblitzen unterzogen, gefolgt von der Beleuchtung mit Femtosekunden-Röntgenimpulsen, die von einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) erzeugt wurden.
Strukturelle Dynamik im QA-QB-Bereich nach dem ersten Blitz. Kredit: Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06987-5
„Der Prozess der Erzeugung von Mikrokristallen für das Photosystem II war zeitaufwändig und dauerte fast fünf Jahre, bis die Ergebnisse zusammengestellt und veröffentlicht wurden“, sagte Professor Michihiro Suga.
Indem die Forscher die Kristalle Laserblitzen aussetzten und Röntgenbeugungsmuster mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen erfassten, konnten sie geringfügige strukturelle Veränderungen im PSII, die von Nanosekunden bis zu Millisekunden nach der Blitzbeleuchtung reichten, umfassend verfolgen.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturenthüllen die komplexe Strukturdynamik von PSII während entscheidender Übergänge von den Zuständen S1 zu S2 und S2 zu S3, um entscheidende Ereignisse wie Elektronentransfer, Protonenfreisetzung und Substratwasserabgabe zu verstehen.
Nachdem die Kristalle Laserblitzen ausgesetzt wurden, wurden schnelle Strukturveränderungen im YZ-Tyrosinrest beobachtet, was auf das Auftreten schneller Elektronen- und Protonentransferprozesse schließen lässt.
Unmittelbar nach zwei Blitzen wurde ein Wassermolekül in der Nähe von Glu189 der D1-Untereinheit gefunden, das anschließend wie zuvor gefunden an eine Position namens O6 in der Nähe von O5 überging, was wertvolle Einblicke in den Ursprung des bei der Wasserspaltungsreaktion eingebauten Sauerstoffatoms lieferte.
Die Untersuchung klärte auch die konzertierten Bewegungen von Wassermolekülen innerhalb spezifischer Kanäle und verdeutlichte deren entscheidende Rolle bei der Erleichterung der Wasserzufuhr und Protonenfreisetzung des Substrats. Diese Beobachtungen werfen Licht auf das komplexe Zusammenspiel zwischen dem Proteingerüst und den Wassermolekülen und verdeutlichen deren synergistischen Beitrag zur Effizienz des Katalysezyklus des PSII.
„Die Ergebnisse unserer Forschung haben erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Bereiche, insbesondere auf die Entwicklung von Katalysatoren für die künstliche Photosynthese. Durch die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die der Wasseroxidation im PSII zugrunde liegen, können wir die Entwicklung synthetischer Katalysatoren anregen, die in der Lage sind, Sonnenenergie effizient durch künstliche Nutzung zu nutzen.“ Photosynthese“, erklärt Professor Jian-Ren Shen.
Die Forscher sagen, dass wir durch das Verständnis der strukturellen Dynamik von PSII auch Strategien zur Optimierung natürlicher Photosyntheseprozesse in Nutzpflanzen entwickeln können, um die landwirtschaftliche Produktivität zu steigern und die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Darüber hinaus vertiefen diese Erkenntnisse nicht nur unser Verständnis der grundlegenden biologischen Prozesse, sondern sind auch vielversprechend für die Bewältigung drängender globaler Herausforderungen im Zusammenhang mit Energienachhaltigkeit und Umweltschutz.
Mehr Informationen:
Hongjie Li et al., Strukturen des Sauerstoff entwickelnden Photosystems II während S1–S2–S3-Übergängen, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06987-5