Ögonblicksbilder under fotosyntesen

Solens energi som når jorden är 5 000 gånger så stor som hela världens energiförbrukning. Att kunna ta tillvara på denna energikälla och lagra den skulle hjälpa till att lösa människans allt mer akuta energiproblem.

Två stora forskningsprojekt vid Umeå universitet ägnar sig åt utvecklingen av konstgjord fotosyntes genom att härma växternas mycket framgångsrika sätt att ta tillvara solenergi. Båda projekten (”solar fuels” och ”artificial leaf”) leds av Johannes Messinger, professor på kemiska institutionen vid Umeå universitet.

För att kunna ta fram ett ”konstgjort blad” behöver forskarna studera växternas sinnrika system, som har fungerat under miljontals år på jorden. Man behöver i detalj veta svaret på två avgörande frågor: Vilka molekyler är nödvändiga i växternas fotosyntes för att kunna spjälka vatten? Vad är deras roll, dvs. hur fungerar de och när?

Johannes Messinger har tillsammans med amerikanska och tyska kollegor (det är hela 36 författare till publikationen) tagit fram ett verktyg för att undersöka växternas fotosyntessystem när de är aktiva. Med ultrakorta röntgenblixtar har de lyckats göra strukturanalyser av isolerade fotosyntesmolekyler från växters fotosystem II i rumstemperatur. Atomernas rörelse avbildades under 50 femtosekunder (10-15 sekunder). Utrustningen som använts, en fri-elektronröntgenlaser, finns vid Stanford University i USA.

I normala fall bestäms molekylstrukturer med röntgenblixtar i frysta prover, för att hålla strålskadorna låga. Genom att de röntgenblixtar som användes i detta experiment är så otrolig korta kan de inte förstöra fotosystemet under mätningen. Detta öppnar möjligheter att upptäcka strukturer och studera hur systemet reagerar i bladet i naturligt tillstånd när det aktivt gör fotosyntes.

–Vårt mål är att studera hur syrgasatomer formerar en brygga för att bilda syrgasmolekyler under vattenspjälkningen. Den fasen i fotosyntesen har hittills varit omöjligt att studera i detalj, säger Johannes Messinger.

På sin väg mot att bygga ett konstgjort blad som kan omvandla vatten till vätgas och syre, har Umeåforskaren nu tillsammans med tyska samarbetspartner vid Max Planck Institute for Bioinorganic Chemistry hittat en byggsten till. Man vet sedan tidigare att kalciumjoner är inblandade in vattenspjälkning och att ett system utan kalcium inte kan producera syrgas. Men forskarna ville nu ta reda på om kalcium behövs för att hålla fotosystemet struktur stabilt (framförallt manganjoner) eller om kalcium behövs i själva reaktionen.

Forskarteamet lyckades med att ta bort kalciumjonen från hela molekylkomplexet och studerade sedan strukturen med EPR-spektroskopi, paramagnetisk elektronresonans.

– Vi kunde se att molekylkomplexet, som består av fyra manganjoner som hålls ihop med fem syrgasatomer, inte ändrade sin struktur efter vi hade tagit bort kalciumjoner. Det betyder att kalcium måste spela en mycket viktig roll i vattenspjälkningsreaktionen, säger Johannes Messinger.

De nya forskningsresultaten publiceras nu i två mycket ansedda tidskrifter. Proceeedings of the National Academy of Sciences publicerar de stora framstegen om blixtsnabba röntgenundersökningar och i Journal of Biological Chemistry är Johannes Messinger medförfattare i artikeln om kalciums roll vid fotosyntesen.
 
INFORMATIION OCH KONTAKT

Originalpublikationer:
1. Jan Kern, et. al.: Room Temperature Femtosecond X-ray Diffraction of Photosystem II Microcrystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS
2. Thomas Lohmiller, Nicholas Cox, Ji-Hu Su, Johannes Messinger, Wolfgang Lubitz: The basic properties of the electronic structure of the oxygen-evolving complex of photosystem II are not perturbed by Ca2+ removal. J. Biol. Chem. May 1, 2012, doi:10.1074/jbc.M112.365288
 
För mer information, kontakta gärna: Johannes Messinger
Telefon: 090-786 59 33 E-post: johannes.messinger@chem.umu.se