Il fotosistema II (PSII) è un enorme complesso di membrana-proteina che catalizza la scissione dell'acqua indotta dalla luce, portando alla generazione di protoni e ossigeno molecolare. Questa reazione converte l'energia luminosa dal sole in energia chimica necessaria per sostenere quasi tutte le attività viventi sulla Terra. La reazione di scissione dell'acqua è catalizzata da un cluster di Mn4CaO5 incorporato nella matrice proteica di PSII, e procede attraverso cinque stati intermedi chiamati Si-states. Le strutture di PSII e del cluster Mn4CaO5 sono state risolte con risoluzione atomica, però, i meccanismi che regolano la scissione dell'acqua non sono chiari a causa della mancanza di strutture intermedie dell'enzima.

Ora, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen all'Università di Okayama, e colleghi di istituti tra cui l'Università di Kyoto, RIKEN, hanno chiarito e risolto la struttura del cluster Mn4CaO5 allo stato S3, uno stato intermedio che esiste immediatamente prima della formazione dell'ossigeno molecolare, generato da due lampi di illuminazione ottica. Hanno impiegato un metodo pump-probe in cui sono stati utilizzati due lampi laser per pompare l'enzima allo stato intermedio, e i dati di diffrazione dei raggi X sono stati raccolti mediante un metodo di cristallografia seriale a femtosecondi utilizzando laser a elettroni liberi a raggi X a femtosecondi (XFEL) presso SACLA, Giappone.

I risultati hanno mostrato l'inserimento di un nuovo atomo di ossigeno (molecola d'acqua) vicino a un oxo-ossigeno già esistente denominato O5, consentendo la formazione di ossigeno molecolare tra O5 e l'atomo di ossigeno appena inserito (O6). Questo ha chiaramente dimostrato il meccanismo che governa la reazione di scissione dell'acqua catalizzata da PSII, e ha fornito un progetto per la progettazione e la sintesi di catalizzatori artificiali efficienti che in futuro potrebbero essere utilizzati nella fotosintesi artificiale per produrre energia pulita e rinnovabile dal sole.