Международная группа, возглавляемая учеными Университета штата Аризона, опубликовала сегодня в журнале Nature новаторское исследование, в котором показаны первые снимки фотосинтеза в действии, когда вода расщепляется на протоны, электроны и кислород - процесс, поддерживающий кислород на Земле. атмосфера.
«Это исследование - первый шаг к нашей конечной цели - разгадке секретов расщепления воды и получению молекулярных фильмов биомолекул», - сказала Петра Фромм, профессор химии и биохимии АГУ. Фромм является старшим автором и руководителем международной группы, которая сообщила о своей работе в разделе «Последовательная кристаллография фотосистемы II с временным разрешением с использованием фемтосекундного рентгеновского лазера» в онлайн-выпуске Nature от 9 июля.
Фотосинтез - один из фундаментальных процессов жизни на Земле. Ранняя Земля не содержала кислорода и была преобразована в богатую кислородом атмосферу, которую мы имеем сегодня, 2,5 миллиарда лет назад в результате «изобретения» процесса расщепления воды в Фотосистеме II (PSII). Вся высшая жизнь на Земле зависит от этого процесса для удовлетворения своих энергетических потребностей, и ФС II производит кислород, которым мы дышим, что в конечном итоге поддерживает нашу жизнь.
Выявление механизма этого процесса расщепления воды необходимо для разработки искусственных систем, которые имитируют и превосходят по эффективности природные системы. Разработка «искусственного листа» является одной из основных целей Центра био-инспирированного производства солнечного топлива АГУ, который был основным сторонником этого исследования.
"Ключевая проблема, стоящая перед нашим Центром производства биотоплива (Bisfuel) в ASU и аналогичными исследовательскими группами по всему миру, заключается в обнаружении эффективного и недорогого катализатора для окисления воды до газообразного кислорода, ионов водорода и электронов", сказал директор ASU Regents профессор Девенс Гаст, директор центра.«Фотосинтезирующие организмы уже знают, как это делать, и нам нужно знать подробности того, как фотосинтез осуществляет этот процесс, используя большое количество марганца и кальция».
«Исследование Фромма и его коллег впервые дает нам представление о том, как катализатор меняет свою структуру во время работы», - добавил Гаст. «Как только механизм фотосинтетического окисления воды будет понятен, химики смогут приступить к разработке искусственных фотосинтетических катализаторов, которые позволят им производить полезное топливо с использованием солнечного света».
В процессе фотосинтеза кислород вырабатывается на специальном участке металла, содержащем четыре атома марганца и один атом кальция, соединенных вместе в виде металлического кластера. Этот выделяющий кислород кластер связан с белком PSII, который катализирует управляемый светом процесс расщепления воды. Требуется четыре вспышки света, чтобы извлечь одну молекулу кислорода из двух молекул воды, связанных с металлическим кластером.
Fromme утверждает, что есть два основных недостатка в получении структурной и динамической информации об этом процессе с помощью традиционной рентгеновской кристаллографии. Во-первых, изображения, которые можно получить с помощью стандартных методов структурного определения, являются статическими. Во-вторых, на качество структурной информации отрицательно влияет рентгеновское повреждение.
«Фокус в том, чтобы использовать самый мощный в мире рентгеновский лазер, названный LCLS, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики», - сказал Фромм. «Чрезвычайно быстрые фемтосекундные (10 -15 секунды) лазерные импульсы записывают моментальные снимки кристаллов PSII до того, как они взорвутся в рентгеновском луче, принцип, называемый «дифракция перед разрушением».
Таким образом, снимки процесса разделения воды получаются без повреждений. Конечной целью работы является запись молекулярных фильмов расщепления воды.
Команда провела эксперименты по фемтосекундной кристаллографии с временным разрешением на нанокристаллах Фотосистемы II, которые настолько малы, что их едва можно разглядеть даже под микроскопом. На кристаллы воздействуют двумя вспышками зеленого лазера, после чего структурные изменения выявляются фемтосекундными импульсами рентгеновского излучения.
Исследователи обнаружили большие структурные изменения белка и металлического кластера, который катализирует реакцию. Кластер значительно удлиняется, освобождая место для движения молекулы воды.
«Это важный шаг к цели создания фильма о молекулярной машине, ответственной за фотосинтез, процесс, посредством которого растения производят кислород, которым мы дышим, из солнечного света и воды», - объяснил Джон Спенс, регенты ASU. Профессор физики, член группы и научный руководитель научно-технического центра BioXFEL, финансируемого Национальным научным фондом, который разрабатывает методы биологии с помощью лазеров на свободных электронах.
ASU недавно взяла на себя большое обязательство по новаторской работе группы фемтосекундной кристаллографии, планируя создать новый Центр прикладных структурных исследований в Институте биодизайна в ASU. Центр возглавит Петра Фромме.
Роль студента в исследованиях
Междисциплинарная группа из восьми преподавателей АГУ с кафедры химии и биохимии (Петра Фромме, Александра Рос, Том Мур и Анна Мур) и кафедры физики (Джон Спенс, Уве Вейерстолл, Кевин Шмидт и Брюс Доак)) работали вместе с национальными и международными сотрудниками над этим проектом. Результаты стали возможными благодаря отличной работе нынешних аспирантов ASU Кристофера Купица, Шибома Басу, Дэниела Джеймса, Динджи Вана, Челси Конрад, Шатабди Роя Чоудхури и Джей-Хоу Янга, а также докторантов и докторантов ASU Кимберли Рендек., Марк Хантер, Джесси Бергкамп, Цзы-Чиао Чао и Ричард Кириан.
Две студентки бакалавриата, Даниэль Кобб и Бренда Ридер, поддержали команду и приобрели обширный исследовательский опыт, работая рука об руку с аспирантами, исследователями и преподавателями на лазере на свободных электронах в Стэнфорде. Четыре старших ученых и постдока ASU (Инго Гротьоханн, Надя Зацепин, Хайгуан Лю и Раймунд Фромме) поддерживали факультет в разработке, планировании и проведении экспериментов, а также сыграли важную роль в оценке данных.
Первое авторство статьи принадлежит аспирантам ASU Кристоферу Купицу и Шибому Басу. Диссертация Купица основана на разработке новых методов выращивания и биофизических характеристик нанокристаллов, а Басу посвятил три года своей докторской работы разработке методов оценки данных.
«Это так волнующе - быть частью этого новаторского исследования и иметь возможность участвовать в этом невероятном международном сотрудничестве», - сказал Купиц, который этим летом получит степень доктора биохимии. «Я присоединился к проекту, потому что мне интересно работать в акселераторе LCLS над этим важным биологическим проектом».
«Самый захватывающий аспект работы над Photosystem II - это перспектива создания молекулярных фильмов, чтобы увидеть процесс расщепления воды с помощью кристаллографии с временным разрешением», - добавил Басу.
Национальные и международные сотрудники проекта включают команду Генри Чепмена из DESY в Гамбурге, Германия, который вместе с командой ASU и исследователями из MPI в Гейдельберге впервые применил новый метод последовательной фемтосекундной кристаллографии. Среди других сотрудников была группа под руководством Матиаса Франка, эксперта по лазерной спектроскопии и исследованиям с временным разрешением с помощью ЛСЭ в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, и группа Юлии Пушкарь из Университета Пердью, которая поддерживала работу по характеристике кристаллов с помощью электронного парамагнитного поля. резонанс.
«Мы мучительно близки», - сказал Чепмен из Центра изучения лазеров на свободных электронах в DESY и пионер в исследованиях кристаллизованных белков без использования рентгеновских лучей. «Я думаю, это показывает, что мы действительно на правильном пути, и это сработает».
Дополнительные сотрудники включают ученых из SLAC, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли; Стэнфордский институт ПУЛЬСА; Институты медицинских исследований Макса Планка и ядерной физики; Гамбургский университет; Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах и Центр сверхбыстрой визуализации; Мельбурнский университет в Австралии; Упсальский университет в Швеции; и Университет Регины в Канаде.
Работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, Немецким исследовательским фондом (DFG), Обществом Макса Планка, SLAC и Ливерморской национальной лабораторией направленных исследований Лоуренса. и программы развития, а также Научно-технический центр BioXFEL и другие.