Wissenschaftler bemerken diesen schwer fassbaren fehlenden Schritt in der Endphase der Photosynthese

Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory und des Lawrence Berkeley National Laboratory (zusammen mit Mitarbeitern in Schweden, Deutschland und Großbritannien) neues Licht werfen Im letzten Schritt der Photosynthese. Sie beobachteten im atomaren Detail, wie Photosystem II, ein in Pflanzen vorkommender Proteinkomplex, eine Umwandlung durchläuft, die zum Verlust eines zusätzlichen Sauerstoffatoms führt. Wissenschaftler glauben, dass die Entdeckungen dazu beitragen werden, einen Fahrplan für die Verbesserung sauberer Energiequellen bereitzustellen. „Es wird unsere Denkweise über System Zwei wirklich verändern“, sagte Uwe Bergmann, Wissenschaftler und Professor an der University of Wisconsin-Madison, der Co-Autor des Papiers.

Die Forscher machten „ultrahochauflösende Bilder“ von verschiedenen Stadien des Prozesses (bei Raumtemperatur) und gaben ihnen neue Einblicke, wie und wo genau Sauerstoff produziert wird. Baseball kann eine einfache (wenn auch etwas gezwungene) Metapher bieten, um den Prozess zu veranschaulichen. „Das Zentrum durchläuft vier stabile Oxidationszustände, die als S0 bis S3 definiert sind, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird“, erklärt SLAC. „Auf einem Baseballfeld ist S0 der Starter des Spiels, wenn der Spieler im Haus bereit ist zu schlagen. S1-S3 sind die Spieler auf dem ersten, zweiten und dritten Platz.“ Basierend auf dieser Metapher zeigt der Teig, der die Vorwärtsläufer kontaktiert, an, dass der Teig ein Photon des Sonnenlichts absorbiert. „Wenn der vierte Ball getroffen wird, rutscht der Spieler nach Hause und erzielt einen Lauf oder setzt im Fall des zweiten Bildsystems ein Molekül atembaren Sauerstoffs frei.“ Es ist diese letzte Stufe (S4, zwischen der dritten Basis und dem Schiebehaus in unserer Metapher), die sie zuerst dargestellt haben, wo sich zwei Sauerstoffatome verbinden, um ein Sauerstoffmolekül freizusetzen, was zusätzliche Schritte enthüllt, die wir zuvor nicht gesehen haben.

Das folgende Video zeigt den Prozess und die Entdeckungen des Teams.

„Die meisten Prozesse, die lungengängigen Sauerstoff produzieren, finden in diesem letzten Schritt statt“, sagte Vital Yachandra, ein Wissenschaftler des Berkeley Lab und Mitautor der Veröffentlichung. Veröffentlicht in Natur. „Aber in verschiedenen Teilen des zweiten Bildsystems passieren viele Dinge, und sie müssen alle zusammenkommen, damit die Reaktion erfolgreich ist. Genau wie beim Baseball spielen Faktoren wie die Position des Balls und die Position des Baseman und Feldspieler beeinflussen die Bewegungen, die der Spieler unternimmt, um die Heimatbasis zu erreichen, die Umgebung des Proteins um das katalytische Zentrum beeinflusst, wie diese Interaktion abläuft.

Die Forscher erwarten, die Röntgenstrahlen noch in diesem Jahr zu verbessern, um mehr Licht in den Prozess zu bringen. Es wird eine Wiederholungsrate von 1 Million Schlägen pro Sekunde verwendet, gegenüber den 120 Schlägen pro Sekunde, die in diesem Experiment verwendet wurden. „Mit diesen Upgrades werden wir in der Lage sein, Daten von mehreren Tagen in nur wenigen Stunden zu sammeln“, sagte Bergman. „Wir werden auch in der Lage sein, weiche Röntgenstrahlen zu verwenden, um die chemischen Veränderungen, die im System auftreten, besser zu verstehen. Diese neuen Fähigkeiten werden diese Forschung weiter vorantreiben und neues Licht auf den Prozess der Photosynthese werfen.“

Das Team glaubt, dass die Ergebnisse ihnen helfen werden, „künstliche Photosynthesesysteme zu entwickeln, die die Photosynthese nachahmen, um natürliches Sonnenlicht zu ernten, um Kohlendioxid in Wasserstoff und kohlenstoffbasierte Brennstoffe umzuwandeln“. Jean Kern, Co-Autor und ein weiterer Berkley Lab-Wissenschaftler, sagte: „Je mehr wir darüber wissen, wie die Natur dies tut, desto näher kommen wir der Anwendung dieser Prinzipien in menschengemachten Prozessen, einschließlich der Ideen der künstlichen Photosynthese als saubere und nachhaltige Energie Quelle.“

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