_ Dezlegarea dinamicii structurale al fotosistemului II cu cristalografie cu raze X femtosecunde

Înțelegerea mecanismelor moleculare care stau la baza fenomenului fotosintezei poate permite progrese semnificative în domeniile biotehnologiei și energiei regenerabile. Fotosistemul II (PSII), un complex proteic, joacă un rol central în acest proces prin catalizarea oxidării apei și prin producerea de dioxigen folosind lumina solară, o etapă fundamentală în fotosinteza oxigenată. În ciuda cercetărilor ample, dinamica structurală a PSII în timpul reacției de divizare a apei, în special la nivel atomic și pe perioade scurte de timp, rămâne în mare parte neexplorată.

Cercetările anterioare au oferit perspective valoroase asupra schimbărilor structurale care au loc în PSII. în timpul reacției de divizare a apei, concentrându-se pe intervale de timp de la microsecunde până la milisecunde. Cu toate acestea, a existat o lipsă de informații structurale de înaltă rezoluție la intervale de timp mai scurte, în special în timpul tranzițiilor între diferite stări ale complexului de evoluție a oxigenului (OEC) induse de excitația luminii, care este esențială pentru înțelegerea mecanismului de oxidare a apei și a oxigenului. evoluție.

Pentru a aborda această lacună în cercetare, profesorul Michihiro Suga și profesorul Jian-Ren Shen de la Institutul de Cercetare pentru Științe Interdisciplinare, Școala Absolventă de Mediu, Vieți, Științe și Tehnologie a Naturii, Universitatea Okayama din Japonia, au folosit Cristalografia cu raze X femtosecunde în serie cu pompă-sondă (TR-SFX), o tehnică despre care se știe că surprinde modificările structurale ultrarapide ale macromoleculelor biologice cu o precizie spațială și temporală remarcabilă.

Urmând protocoalele stabilite, microcristalele PSII au fost meticulos. pregătit și supus unei excitații luminoase cu una sau două fulgere cu laser, urmată de iluminare cu impulsuri de raze X în femtosecundă generate de un laser cu electroni liberi cu raze X (XFEL).

„Procesul de generare a microcristalelor pentru fotosistem. II a consumat mult timp, a durat aproape cinci ani, până când descoperirile au fost compilate și publicate”, a spus profesorul Michihiro Suga.

Prin expunerea cristalelor la fulgere cu laser și captând modele de difracție de raze X la diferite întârzieri, cercetătorii ar putea urmări pe scară largă modificările structurale minore ale PSII, variind de la nanosecunde la milisecunde după iluminarea blițului.

Descoperirile, publicate în Nature, dezvăluie dinamica structurală complexă a PSII în timpul tranzițiilor cruciale de la S1 la S2. și stările de la S2 la S3 pentru a înțelege evenimentele esențiale, cum ar fi transferul de electroni, eliberarea de protoni și livrarea de apă pe substrat.

După expunerea cristalelor la flash-uri laser, au fost observate modificări structurale rapide ale reziduului de tirozină YZ, sugerând că apariția proceselor rapide de transfer de electroni și protoni.

O moleculă de apă în apropierea Glu189 a subunității D1 a fost găsită imediat după două fulgerări, care s-au transferat ulterior într-o poziție numită O6 lângă O5 așa cum a fost găsită anterior, oferind perspective valoroase asupra originea atomului de oxigen încorporat în timpul reacției de divizare a apei.

Investigația a clarificat, de asemenea, mișcările concertate ale moleculelor de apă în cadrul unor canale specifice, elucidând rolul lor crucial în facilitarea livrării de apă a substratului și eliberării de protoni. Aceste observații pun în lumină interacțiunea complicată dintre schela proteică și moleculele de apă, subliniind contribuția lor sinergică la eficiența ciclului catalitic al PSII.

„Descoperirile cercetării noastre au implicații semnificative pentru diferite domenii, în special în proiectarea catalizatorilor pentru fotosinteza artificială. Prin elucidarea mecanismelor moleculare care stau la baza oxidării apei în PSII, putem inspira dezvoltarea catalizatorilor sintetici capabili să exploateze eficient energia solară prin fotosinteză artificială", explică profesorul Jian-Ren Shen.

Cercetătorii spun că, prin înțelegerea dinamicii structurale a PSII, putem informa și strategii pentru optimizarea proceselor fotosintetice naturale în culturi pentru a crește productivitatea agricolă și a atenua efectele schimbărilor climatice. Adăugând că aceste descoperiri nu numai că ne aprofundează înțelegerea proceselor biologice fundamentale, dar sunt, de asemenea, promițătoare pentru abordarea provocărilor globale presante legate de durabilitatea energetică și conservarea mediului.

(Fluierul)