Photosystem II: Ein gro?er Schritt in Richtung Entschlüsselung der Photosynthese
Die Natur dient der Wissenschaft in vielen Bereichen als Vorlage für erstaunliche technologische Entwicklungen. Hierzu z?hlt insbesondere die Photosynthese, die in naher Zukunft eine gro?e Rolle für neue Ans?tze in der Energieversorgung spielen k?nnte. Allerdings ist der fundamentale Mechanismus, der aus Licht, Wasser und Kohlendioxid in Pflanzen Sauerstoff und Glucose produziert, noch nicht in allen Details entschlüsselt.?
Mehr als zwei Jahrzehnte lang hat die multinationale Wissenschaftskooperation mit Forscher:innen der Humboldt-Universit?t zu Berlin, des Berkeley National Laboratory (USA) und der Uppsala University (Schweden) grundlegende Erkenntnisse über das Photosystem II (PSII), das Schlüsselenzym der Photosynthese, geliefert. An diesem Enzym findet die lichtgesteuerte Wasserspaltungsreaktion statt, die für die Freisetzung von Protonen und dem lebensnotwendigen Sauerstoff in der Atmosph?re verantwortlich ist.?
Nun gibt es einen weiteren gro?en Erfolg zu vermelden: Mit ultrakurzen R?ntgenlaserimpulsen gelang es, atomare Schnappschüsse des PSII zu erzeugen und dabei die Funktionsweise des biologischen Nanosystems w?hrend der Wasserspaltungsreaktion zu beobachten.?
?Um den komplexen Mechanismus zu verstehen, ist es notwendig, die Protonenfreisetzung w?hrend der Wasseroxidation zu verfolgen", erkl?rt Dr. Mohamed Ibrahim aus der Gruppe von Herrn Prof. Holger Dobbek an der Humboldt-Universit?t zu Berlin – einer der Hauptautoren der Studie.
So war es Ziel des SFB1078-Projektes, ein Video auf atomarer Ebene w?hrend des Wasseroxidationsprozesses zu erstellen. Am SLAC National Accelerator Laboratory sammelten die Forscher:innen atomare Schnappschüsse des PSII, w?hrend es seinen katalytischen Zyklus durchlief, um den Kanal zur Aufnahme der Wassermoleküle zum katalytischen Zentrum, einem Mn4CaO5-Cluster, zu identifizieren und die dort stattfindenden Prozesse aufzudecken.?Diese Studie wurde nun im Journal Nature Communications ver?ffentlicht.
Die Forscher:innen diskutieren im Detail vier Einzelaufnahmen (50 ?s, 150 ?s, 250 ?s und 400 ?s), w?hrend der Mn4CaO5-Cluster den Prozess der Oxidation von Wasser zu molekularem Sauerstoff unter Verwendung von Sonnenenergie steuert. Die Aufnahmen wurden w?hrend des entscheidenden ?bergangs von S2S3 aufgezeichnet, wobei ein Substratwasser an die aktive Stelle am Mn4CaO5-Cluster bindet. Die Wissenschaftler:innen identifizierten den Kanal für die Wasseraufnahme des Substrats mit Hilfe einer kombinierten hochaufl?senden Struktur von 1,89 ?. Au?erdem beschrieben sie drei wesentliche strukturelle Ereignisse in den Wasserkan?len, die w?hrend des ?bergangs zum Substrateinbau und zum Protonenaustritt führen.
?Wir hoffen, dass wir in naher Zukunft künstliche Katalysatoren entwickeln k?nnen. Der Schlüssel hierfür ist die Aufkl?rung des molekularen Mechanismus der Wasserspaltungsreaktion, wobei uns insbesondere die Funktion von gew?hnlichen Metallen wie Mangan in einem anorganischen Cluster im PSII bei der Wasseroxidation interessiert", sagt Rana Hussein aus der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Athina Zouni an der Humboldt-Universit?t - die Erstautorin der Publikation.?
Dies w?re bereits ein bedeutender Schritt auf dem vielversprechenden Weg, die Natur zum Vorbild von m?glicherweise umw?lzenden Entwicklungen im Bereich der Energiegewinnung durch Anwendung der artifiziellen Photosynthese zu nutzen.?
Publikation
Hussein, R., Ibrahim, M., Bhowmick, A. et al. Structural dynamics in the water and proton channels of photosystem II during the S2 to S3 transition. Nat Commun 12, 6531 (2021).?https://doi.org/10.1038/s41467-021-26781-z
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Prof. Dr. Athina Zouni
Institute of Biology,?Structural Biology / Biochemistry
Humboldt-Universit?t zu Berlin
Tel.:?(+49) 030 2093-47930
athina.zouni@hu-berlin.de