Nonostante il suo ruolo nel plasmare la vita come la conosciamo, molti aspetti della fotosintesi rimangono un mistero. Una collaborazione internazionale tra scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory, Il Lawrence Berkeley National Laboratory e diverse altre istituzioni stanno lavorando per cambiare questa situazione. I ricercatori hanno utilizzato il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per catturare l'immagine più completa e con la risoluzione più alta fino ad oggi di Photosystem II, un complesso proteico chiave nelle piante, alghe e cianobatteri responsabili della scissione dell'acqua e della produzione dell'ossigeno che respiriamo. I risultati sono stati pubblicati in Natura oggi.

Esplosione di vita

Quando la Terra si formò circa 4,5 miliardi di anni fa, il paesaggio del pianeta non assomigliava quasi per niente a quello che è oggi. Junko Yano, uno degli autori dello studio e uno scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, lo descrive come "infernale". Le meteore sfrigolavano attraverso un'atmosfera ricca di anidride carbonica e i vulcani inondavano la superficie di mari magmatici.

Nei prossimi 2,5 miliardi di anni, il vapore acqueo accumulandosi nell'aria iniziò a piovere ea formare oceani dove apparve la primissima vita sotto forma di organismi unicellulari. Ma è stato solo quando uno di quei granelli di vita è mutato e ha sviluppato la capacità di sfruttare la luce del sole e trasformarla in energia, rilasciando molecole di ossigeno dall'acqua nel processo, che la Terra ha iniziato ad evolversi nel pianeta che è oggi. Questo processo, fotosintesi ossigenata, è considerato uno dei gioielli della corona della natura ed è rimasto relativamente invariato negli oltre 2 miliardi di anni da quando è emerso.

"Questa reazione ci ha resi come siamo, come il mondo. Molecola per molecola, il pianeta si arricchì lentamente finché, circa 540 milioni di anni fa, è esploso di vita, " ha detto il co-autore Uwe Bergmann, un illustre scienziato del personale dello SLAC. "Quando si tratta di domande su da dove veniamo, questo è uno dei più grandi".

Un futuro più verde

Photosystem II è il cavallo di battaglia responsabile dell'utilizzo della luce solare per scomporre l'acqua nei suoi componenti atomici, sbloccando idrogeno e ossigeno. Fino a poco tempo fa, era stato possibile misurare pezzi di questo processo solo a temperature estremamente basse. In un precedente documento, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo metodo per osservare due fasi di questo ciclo di scissione dell'acqua alla temperatura alla quale si verifica in natura.

Ora il team ha ripreso tutti e quattro gli stati intermedi del processo a temperatura naturale e con il livello di dettaglio più fine. Hanno anche catturato, per la prima volta, momenti di transizione tra due degli stati, dando loro una sequenza di sei immagini del processo.

L'obiettivo del progetto, ha detto il coautore Jan Kern, uno scienziato al Berkeley Lab, è mettere insieme un film atomico usando molti fotogrammi dell'intero processo, compreso lo stato transitorio sfuggente alla fine che lega gli atomi di ossigeno da due molecole d'acqua per produrre molecole di ossigeno.

"Lo studio di questo sistema ci dà l'opportunità di vedere come i metalli e le proteine ​​lavorano insieme e come la luce controlla questo tipo di reazioni, " disse Vittal Yachandra, uno degli autori dello studio e uno scienziato senior del Lawrence Berkeley National Laboratory che lavora su Photosystem II da oltre 35 anni. "Oltre ad aprire una finestra sul passato, una migliore comprensione di Photosystem II potrebbe aprire la porta a un futuro più verde, fornendoci ispirazione per sistemi fotosintetici artificiali che producono energia pulita e rinnovabile dalla luce solare e dall'acqua".

Esempio di catena di montaggio

Per i loro esperimenti, i ricercatori coltivano quella che Kern ha descritto come una "densa fanghiglia verde" di cianobatteri, gli stessi antichi organismi che per primi hanno sviluppato la capacità di fotosintetizzare, in una grande vasca costantemente illuminata. Quindi raccolgono le cellule per i loro campioni.

In LCLS, i campioni vengono sottoposti a zapping 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 del fotosistema II. Nella cristallografia, i ricercatori usano il modo in cui un campione di cristallo disperde i raggi X per mappare la sua struttura; in spettroscopia, eccitano gli atomi in un materiale per scoprire informazioni sulla sua chimica. Questo approccio, combinato con un nuovo sistema di trasporto dei campioni in catena di montaggio, ha permesso ai ricercatori di restringere i meccanismi proposti proposti dalla comunità di ricerca nel corso degli anni.

Mappare il processo

In precedenza, i ricercatori sono stati in grado di determinare la struttura a temperatura ambiente di due degli stati con una risoluzione di 2,25 angstrom; un angstrom è circa il diametro di un atomo di idrogeno. Questo ha permesso loro di vedere la posizione degli atomi di metalli pesanti, ma ha lasciato alcune domande sulle posizioni esatte degli atomi più leggeri, come l'ossigeno. In questo documento, sono stati in grado di migliorare ulteriormente la risoluzione, a 2 angstrom, che ha permesso loro di iniziare a vedere più chiaramente la posizione degli atomi più leggeri, oltre a disegnare una mappa più dettagliata della struttura chimica del centro catalitico metallico nel complesso in cui l'acqua viene scissa.

Questo centro, chiamato il complesso in evoluzione dell'ossigeno, è un gruppo di quattro atomi di manganese e un atomo di calcio collegati a ponte con atomi di ossigeno. Cicla attraverso i quattro stati di ossidazione stabili, S0-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.

I ricercatori sono stati in grado di scattare foto in azione di come la struttura del complesso si è trasformata in ogni base, che non sarebbe stato possibile senza la loro tecnica. Un secondo set di dati ha permesso loro di mappare l'esatta posizione del sistema in ogni immagine, confermando che avevano effettivamente immaginato gli stati a cui miravano.

Scivolando in casa

Ma ci sono molte altre cose che accadono durante questo processo, così come i momenti tra gli stati in cui il giocatore sta effettuando una pausa per la base successiva, che sono un po' più difficili da catturare. Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro, Yano ha detto, è che sono stati in grado di immaginare due momenti tra S2 e S3. Nei prossimi esperimenti, i ricercatori sperano di utilizzare la stessa tecnica per visualizzare più di questi stati intermedi, inclusa la folle corsa verso casa, lo stato transitorio, o S4, dove due atomi di ossigeno si legano insieme, fornendo informazioni sulla chimica della reazione che è vitale per imitare questo processo nei sistemi artificiali.

"L'intero ciclo richiede quasi due millisecondi per essere completato, " Kern ha detto. "Il nostro sogno è catturare passi di 50 microsecondi durante l'intero ciclo, ciascuno di essi con la massima risoluzione possibile, per creare questo film atomico dell'intero processo."

Anche se hanno ancora molta strada da fare, i ricercatori hanno affermato che questi risultati forniscono un percorso in avanti, sia nello svelare i misteri di come funziona la fotosintesi, e nell'offrire un modello per le fonti artificiali di energia rinnovabile.

"È stato un processo di apprendimento, " ha affermato lo scienziato e co-autore dello SLAC Roberto Alonso-Mori. "Negli ultimi sette anni abbiamo lavorato con i nostri collaboratori per reinventare aspetti chiave delle nostre tecniche. Abbiamo lentamente risolto questa domanda e questi risultati sono un grande passo avanti".