La comprensione dei meccanismi molecolari alla base del fenomeno della fotosintesi può consentire progressi significativi nei campi delle biotecnologie e delle energie rinnovabili. Il fotosistema II (PSII), un complesso proteico, svolge un ruolo centrale in questo processo catalizzando l'ossidazione dell'acqua e producendo diossigeno utilizzando la luce solare, un passaggio fondamentale nella fotosintesi ossigenata. Nonostante ricerche approfondite, le dinamiche strutturali del PSII durante la reazione di scissione dell'acqua, soprattutto a livello atomico e su scale temporali brevi, rimangono in gran parte inesplorate.
Ricerche precedenti hanno fornito preziose informazioni sui cambiamenti strutturali che si verificano nel PSII durante la reazione di scissione dell'acqua, concentrandosi su scale temporali che vanno dai microsecondi ai millisecondi. Tuttavia, si è verificata una mancanza di informazioni strutturali ad alta risoluzione su scale temporali più brevi, in particolare durante le transizioni tra diversi stati del complesso di evoluzione dell'ossigeno (OEC) indotte dall'eccitazione della luce, che è essenziale per comprendere il meccanismo di ossidazione dell'acqua e dell'ossigeno. evoluzione.
Per colmare questa lacuna nella ricerca, il professor Michihiro Suga e il professor Jian-Ren Shen dell'Istituto di ricerca per le scienze interdisciplinari, Graduate School of Environmental, Life, Natural Science and Technology, Università di Okayama in Giappone, hanno utilizzato la cristallografia seriale a raggi X a femtosecondi con sonda a pompa (TR-SFX), una tecnica nota per catturare cambiamenti strutturali ultraveloci nelle macromolecole biologiche con notevole precisione spaziale e temporale.
Seguendo protocolli stabiliti, i microcristalli PSII sono stati preparati meticolosamente e sottoposti a uno o due lampi laser, seguiti da illuminazione con impulsi di raggi X a femtosecondi generati da un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL).
"Il processo di generazione dei microcristalli per il fotosistema II è stato dispendioso in termini di tempo, impiegando quasi cinque anni prima che i risultati fossero compilati e pubblicati", ha affermato il professor Michihiro Suga.
Esponendo i cristalli ai flash laser e catturando i modelli di diffrazione dei raggi X con vari ritardi temporali, i ricercatori hanno potuto monitorare in modo approfondito le alterazioni strutturali minori nel PSII, che vanno dai nanosecondi ai millisecondi dopo l'illuminazione post-flash.
I risultati, pubblicati su Nature , rivelano le complesse dinamiche strutturali del PSII durante le transizioni cruciali dall'S1 a S2 e S2 a S3 stati per comprendere eventi cruciali come il trasferimento di elettroni, il rilascio di protoni e il rilascio di acqua nel substrato.
Dopo aver esposto i cristalli ai lampi laser, sono state osservate rapide alterazioni strutturali nel residuo di tirosina YZ, suggerendo il verificarsi di rapidi processi di trasferimento di elettroni e protoni.
Immediatamente dopo due lampi è stata trovata una molecola d'acqua vicino a Glu189 della subunità D1, che successivamente si è trasferita in una posizione denominata O6 vicino a O5 come trovato in precedenza, fornendo preziose informazioni sull'origine dell'atomo di ossigeno incorporato durante la reazione di scissione dell'acqua.
L'indagine ha inoltre chiarito i movimenti concertati delle molecole d'acqua all'interno di canali specifici, chiarendo il loro ruolo cruciale nel facilitare il rilascio di acqua nel substrato e il rilascio di protoni. Queste osservazioni fanno luce sull'intricata interazione tra l'impalcatura proteica e le molecole d'acqua, evidenziando il loro contributo sinergico all'efficienza del ciclo catalitico del PSII.
"I risultati della nostra ricerca hanno implicazioni significative per vari campi, in particolare nella progettazione di catalizzatori per la fotosintesi artificiale. Chiudendo i meccanismi molecolari alla base dell'ossidazione dell'acqua nel PSII, possiamo ispirare lo sviluppo di catalizzatori sintetici in grado di sfruttare in modo efficiente l'energia solare attraverso fotosintesi", spiega il professor Jian-Ren Shen.
I ricercatori affermano che comprendendo le dinamiche strutturali del PSII, possiamo anche definire strategie per ottimizzare i processi fotosintetici naturali nelle colture per migliorare la produttività agricola e mitigare gli effetti del cambiamento climatico. Aggiungendo che questi risultati non solo approfondiscono la nostra comprensione dei processi biologici fondamentali, ma rappresentano anche un'enorme promessa per affrontare le pressanti sfide globali legate alla sostenibilità energetica e alla conservazione ambientale.
Ulteriori informazioni: Hongjie Li et al, Strutture del fotosistema II che evolve l'ossigeno durante le transizioni S1–S2–S3, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Okayama
