Il fotosistema II è un complesso proteico nelle piante, alghe e cianobatteri responsabili della scissione dell'acqua e della produzione dell'ossigeno che respiriamo. Negli ultimi anni, una collaborazione internazionale tra scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy, SLAC National Accelerator Laboratory e diverse altre istituzioni sono state in grado di osservare vari passaggi di questo ciclo di scissione dell'acqua alla temperatura alla quale si verifica in natura.

Ora, il team ha utilizzato lo stesso metodo per concentrarsi su un passaggio chiave in cui una molecola d'acqua si muove per collegare gli atomi di manganese e calcio nel complesso catalitico che divide l'acqua per produrre ossigeno respirabile. Ciò che hanno appreso li avvicina di un passo all'ottenimento di un quadro completo di questo processo naturale, che potrebbe informare la prossima generazione di sistemi fotosintetici artificiali che producono energia pulita e rinnovabile dalla luce solare e dall'acqua. I loro risultati sono stati pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze oggi.

"Abbiamo dimostrato che è possibile effettuare queste misurazioni nelle precedenti iterazioni di questo lavoro, ma non abbiamo mai avuto la risoluzione spaziale o i punti temporali sufficienti per approfondire questi dettagli più fini, " dice il co-autore Uwe Bergmann, un illustre scienziato del personale dello SLAC. "Dopo aver accuratamente ottimizzato questo esperimento per molti anni, abbiamo affinato la nostra capacità di effettuare misurazioni con una qualità sufficientemente elevata da vedere per la prima volta questi piccoli cambiamenti".

La brigata del secchio

Durante la fotosintesi, il complesso in evoluzione dell'ossigeno, un gruppo di quattro atomi di manganese e un atomo di calcio collegati da atomi di ossigeno, passa attraverso quattro stati di ossidazione stabili, noto come da S0 a S3, quando esposto alla luce solare.

Su un campo da baseball, S0 sarebbe l'inizio del gioco quando un giocatore in casa base è pronto per andare alla battuta. S1-S3 sarebbero i primi giocatori, secondo, e terzo. Ogni volta che un battitore si connette con una palla, o il complesso assorbe un fotone di luce solare, il giocatore in campo avanza di una base. Quando viene colpita la quarta pallina, il giocatore scivola in casa, segnare una corsa o, nel caso di Photosystem II, rilasciando ossigeno respirabile. Questa ricerca si è concentrata sulla transizione da S2 a S3, l'ultimo stato intermedio stabile prima che venga prodotta una molecola di ossigeno.

Il complesso in evoluzione dell'ossigeno è circondato da acqua e proteine. Nella fase osservata dagli scienziati, l'acqua scorre attraverso un percorso nel complesso, dove una molecola d'acqua alla fine forma un ponte tra un atomo di manganese e un atomo di calcio. Questa molecola d'acqua probabilmente fornisce uno degli atomi di ossigeno nella molecola di ossigeno prodotta alla fine del ciclo.

Utilizzando il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, i ricercatori hanno scoperto che le molecole d'acqua vengono trasportate nel complesso come attraverso una brigata di secchi:si muovono in molti piccoli passi da un'estremità all'altra del percorso. Hanno anche dimostrato che l'atomo di calcio all'interno del complesso potrebbe essere coinvolto nel trasporto dell'acqua.

"È come una culla di Newton, "dice Vittal Yachandra, uno degli autori dello studio e uno scienziato senior del Berkeley Lab che lavora su Photosystem II da oltre 35 anni. "Di solito nell'acqua liquida le cose si muovono costantemente, ma ora siamo in questa affascinante situazione in cui alcune delle molecole d'acqua intorno al cluster di manganese cambiano posizione, mentre altri sono in realtà sempre nello stesso posto. Puoi ripetere l'esperimento 10, 000 volte e saranno ancora seduti nello stesso punto".

Lavorare in tandem

In LCLS, il team ha prelevato campioni di cianobatteri con impulsi ultraveloci di raggi X per raccogliere dati sia di cristallografia a raggi X che di spettroscopia per mappare il flusso di elettroni nel complesso in evoluzione dell'ossigeno di Photosystem II. Attraverso questa tecnica, sono in grado di mappare contemporaneamente la sua struttura e scoprire informazioni sul processo chimico nel cluster di manganese.

In precedenza, i ricercatori avevano usato questa tecnica per assicurarsi che il campione fosse intatto e, cosa importante, anche nello stato chimico intermedio destro. Questo documento segna la prima volta che i ricercatori sono stati in grado di unire le due serie di informazioni per vedere le connessioni tra i cambiamenti strutturali e chimici. Ciò ha permesso ai ricercatori di osservare come si svolgono i passaggi in tempo reale, e imparare cose nuove sulla reazione.

"È emozionante vedere la 'causa e l'effetto' dei cambiamenti indotti dall'assorbimento della luce mentre si verificano, " dice Yachandra.

"È facile dimenticare quanto sia critico l'ambiente e come abilita questi processi davvero complicati, "dice Junko Yano, uno degli autori dello studio e uno scienziato senior del Berkeley Lab. "La vita non avviene nel vuoto; tutti i componenti devono lavorare insieme per rendere possibile la reazione. Questi risultati ci mostrano come le proteine ​​​​e le molecole d'acqua intorno al cluster catalitico lavorano in tandem per produrre ossigeno. I nostri risultati avvieranno un nuovo modo di pensare e ispirare nuovi tipi di domande."

Pronto, set, azione!

Oltre la fotosintesi, Yano dice, questa tecnica può essere applicata ad altri sistemi enzimatici per realizzare istantanee più dettagliate delle reazioni catalitiche.

"Ci consente di collegare la biologia strutturale e la chimica dei sistemi per comprendere e controllare complicate reazioni chimiche, " lei dice.

L'obiettivo finale del progetto è mettere insieme un film atomico utilizzando molte istantanee realizzate durante il processo, compreso lo stato transitorio sfuggente alla fine che lega due atomi di ossigeno da due molecole d'acqua per formare la molecola di ossigeno.

"Il nostro sogno è aggirare l'intero ciclo di reazione e ottenere abbastanza punti temporali e dettagli da poter vedere l'intero processo svolgersi, dal primo fotone di luce che entra alla prima molecola di ossigeno respirabile che esce, ", afferma il coautore Jan Kern, uno scienziato del personale del Berkeley Lab. "Abbiamo costruito il set per questo film, stabilire la nostra tecnica e mostrare ciò che è possibile. Ora le telecamere sono finalmente in funzione e possiamo iniziare a lavorare sul lungometraggio".