Tháo gỡ một bước quan trọng trong sản xuất oxy quang hợp

Photosystem II là một phức hợp protein trong thực vật, tảo và vi khuẩn lam chịu trách nhiệm phân tách nước và tạo ra oxy mà chúng ta thở. Trong vài năm qua, sự hợp tác quốc tế giữa các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng, Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC và một số tổ chức khác đã có thể quan sát các bước khác nhau của chu trình tách nước này ở nhiệt độ mà nó xảy ra ở Thiên nhiên.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tương tự để tiến hành một bước quan trọng trong đó một phân tử nước di chuyển đến cầu nối các nguyên tử mangan và canxi trong phức hợp xúc tác tách nước để tạo ra oxy thở. Những gì họ học được mang lại cho họ một bước gần hơn để có được một bức tranh hoàn chỉnh về quá trình tự nhiên này, có thể thông báo cho thế hệ tiếp theo của hệ thống quang hợp nhân tạo tạo ra năng lượng sạch và tái tạo từ ánh sáng mặt trời và nước. Kết quả của họ đã được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences).

“Chúng tôi đã chứng minh rằng có thể thực hiện các phép đo này trong các lần lặp lại trước của công việc này, nhưng chúng tôi chưa bao giờ có độ phân giải không gian hoặc đủ thời gian để thực sự đi sâu vào các chi tiết tốt hơn này”, đồng tác giả Uwe Bergmann, một nhà khoa học nhân viên nổi tiếng tại SLAC chia sẻ. “Sau khi tối ưu hóa cẩn thận thử nghiệm này trong nhiều năm, chúng tôi đã mài giũa khả năng thực hiện các phép đo ở chất lượng đủ cao để thấy những thay đổi nhỏ này lần đầu tiên.”

Lữ đoàn xô

Trong quá trình quang hợp, phức hợp tiến hóa oxy, một cụm gồm bốn nguyên tử mangan và một nguyên tử canxi được kết nối bởi các nguyên tử oxy, chuyển qua bốn trạng thái oxy hóa ổn định, được gọi là S0 đến S3, khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Trên một sân bóng chày, S0 sẽ là khởi đầu của trò chơi khi một người chơi ở sân nhà sẵn sàng đi dơi. S1-S3 sẽ là người chơi thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Mỗi khi một người đánh bóng kết nối với một quả bóng, hoặc phức hợp hấp thụ một photon ánh sáng mặt trời, người chơi trên sân sẽ tiến lên một cơ sở. Khi quả bóng thứ tư được đánh, người chơi trượt vào nhà, ghi điểm hoặc trong trường hợp của Photosystem II, giải phóng oxy thở. Nghiên cứu này tập trung vào quá trình chuyển đổi từ S2 sang S3, trạng thái trung gian ổn định cuối cùng trước khi một phân tử oxy được tạo ra.

Phức hợp oxy hóa được bao quanh bởi nước và protein. Trong bước mà các nhà khoa học đã xem xét, nước chảy qua một con đường vào khu phức hợp, nơi một phân tử nước cuối cùng tạo thành cầu nối giữa một nguyên tử mangan và một nguyên tử canxi. Phân tử nước này có khả năng cung cấp một trong những nguyên tử oxy trong phân tử oxy được tạo ra vào cuối chu kỳ.

Sử dụng tia X-quang Linac Coherent Light Source (LCLS) của SLAC, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các phân tử nước được đưa vào khu phức hợp như thể thông qua một lữ đoàn xô: Chúng di chuyển theo nhiều bước nhỏ từ đầu này sang đầu kia. Họ cũng chỉ ra rằng nguyên tử canxi trong khu phức hợp có thể liên quan đến việc đưa nước vào.

Vittal Yachandra, một trong những tác giả của nghiên cứu và là nhà khoa học cao cấp tại Berkeley Lab, người đã làm việc trên Photosystem II trong hơn 35 năm giải thích: “Nó giống như một cái nôi của Newton. Thông thường trong nước lỏng, mọi thứ liên tục di chuyển xung quanh, nhưng bây giờ chúng ta đang ở trong tình huống hấp dẫn này khi một số phân tử nước xung quanh cụm mangan thay đổi vị trí của chúng, trong khi những thứ khác thực sự luôn ở cùng một chỗ. Bạn có thể lặp lại thí nghiệm 10.000 lần và chúng vẫn sẽ ngồi ở vị trí đó. “

Làm việc song song

Tại LCLS, nhóm nghiên cứu đã tách các mẫu từ vi khuẩn lam bằng các xung tia X cực nhanh để thu thập cả dữ liệu tinh thể học tia X và dữ liệu quang phổ để ánh xạ cách các electron di chuyển trong phức hệ tiến hóa oxy của Photosystem II. Thông qua kỹ thuật này, họ có thể lập bản đồ đồng thời cấu trúc của nó và khám phá thông tin về quá trình hóa học tại cụm mangan.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để đảm bảo mẫu còn nguyên vẹn và quan trọng là cũng ở trạng thái hóa học trung gian phù hợp. Bài viết này đánh dấu lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể hợp nhất hai bộ thông tin để xem các kết nối giữa các thay đổi cấu trúc và hóa học. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xem các bước diễn ra trong thời gian thực và tìm hiểu những điều mới về phản ứng.

“Thật thú vị khi thấy” nguyên nhân và kết quả “của những thay đổi gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng khi chúng xảy ra,” Yachandra nói.

Junko Yano, một trong những tác giả của nghiên cứu và là nhà khoa học cao cấp tại Berkeley Lab, nói: “Thật dễ dàng để quên môi trường quan trọng như thế nào và làm thế nào nó cho phép các quá trình thực sự phức tạp này”. “Sự sống không xảy ra trong chân không, tất cả các thành phần phải phối hợp với nhau để tạo ra phản ứng có thể xảy ra. Những kết quả này cho chúng ta thấy các phân tử protein và nước xung quanh cụm xúc tác hoạt động như thế nào để tạo ra oxy. Kết quả của chúng ta sẽ bắt đầu một cách mới suy nghĩ và truyền cảm hứng cho các loại câu hỏi mới. “

Sẵn sàng, thiết lập, hành động!

Ngoài việc quang hợp, kỹ thuật này có thể được áp dụng cho các hệ thống enzyme khác để tạo ra những bức ảnh chi tiết hơn về các phản ứng xúc tác.

Nó cho phép chúng ta kết nối sinh học cấu trúc và hóa học của các hệ thống để hiểu và kiểm soát các phản ứng hóa học phức tạp.

Mục tiêu cuối cùng của dự án là ghép một bộ phim nguyên tử bằng cách sử dụng nhiều ảnh chụp nhanh được thực hiện trong suốt quá trình, bao gồm cả trạng thái thoáng qua ở cuối liên kết hai nguyên tử oxy từ hai phân tử nước để tạo thành phân tử oxy.

“Ước mơ của chúng tôi là đi xung quanh toàn bộ chu trình phản ứng và có đủ các điểm thời gian và chi tiết mà bạn có thể thấy toàn bộ quá trình, từ photon ánh sáng đầu tiên đến phân tử oxy thở đầu tiên xuất hiện”, đồng tác giả nói Jan Kern, một nhà khoa học nhân viên tại Phòng thí nghiệm Berkeley. “Chúng tôi đã xây dựng bộ cho bộ phim này, thiết lập kỹ thuật của chúng tôi và hiển thị những gì có thể. Bây giờ các máy quay cuối cùng đã được tung ra và chúng tôi có thể bắt đầu làm việc trên phim truyện.”

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Bản gốc được viết bởi Ali Sundermier. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Mohamed Ibrahim, Thomas Fransson, Ruchira Chatterjee, Mun Hon Cheah, Rana Hussein, Louise Lassalle, Kyle D. Sutherlin, Iris D. Young, Franklin D. Fuller, Sheraz Gul, In-Sik Kim, Philipp S. Simon, Casper de Lichtenberg , Petko Chernev, Isabel Bogacz, Cindy C W. Moriarty, James M. Holton, Holger Dobbek, Aaron S. Brewster, Paul D. Adams, Nicholas K. Sauter, Uwe Bergmann, Athina Zouni, Johannes Messinger, Jan Kern, Vittal K. Yachandra, Junko Yano. Tháo gỡ chuỗi các sự kiện trong quá trình chuyển đổi S2 → S3 trong hệ thống ảnh II và ý nghĩa đối với cơ chế oxy hóa nước .Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , 2020; 202000529 DOI: 10.1073 / pnas.2000529117