«Это исследование — первый шаг к нашей конечной цели — раскрыть секреты расщепления воды и получить молекулярные пленки биомолекул», — сказала Петра Фромме, профессор химии и биохимии в АГУ. Фромми — старший автор и руководитель международной группы, которая сообщила о своей работе в «Последовательной кристаллографии фотосистемы II с временным разрешением с использованием фемтосекундного рентгеновского лазера» в онлайн-выпуске журнала Nature от 9 июля.Фотосинтез — один из фундаментальных процессов жизни на Земле.
Ранняя Земля не содержала кислорода и была преобразована в богатую кислородом атмосферу, которую мы имеем сегодня, 2,5 миллиарда лет назад «изобретением» процесса расщепления воды в Фотосистеме II (ФСII). Вся высшая жизнь на Земле зависит от этого процесса для удовлетворения своих энергетических потребностей, а PSII производит кислород, которым мы дышим, что в конечном итоге поддерживает нас в живых.
Раскрытие механизма этого процесса расщепления воды необходимо для разработки искусственных систем, которые имитируют и превосходят по эффективности естественные системы. Создание «искусственного листа» — одна из основных целей Центра по производству солнечного биоэнергетического топлива ASU, который был основным спонсором этого исследования.«Важнейшей проблемой, стоящей перед нашим Центром по производству биотоплива (Bisfuel) в ASU и аналогичными исследовательскими группами по всему миру, является открытие эффективного и недорогого катализатора для окисления воды до газообразного кислорода, ионов водорода и электронов», — сказал профессор ASU Regents. Девенс Густ, директор центра. «Фотосинтезирующие организмы уже знают, как это сделать, и нам нужно знать детали того, как фотосинтез осуществляет этот процесс с использованием большого количества марганца и кальция.
«Исследование Фромме и его коллег впервые дает нам представление о том, как катализатор меняет свою структуру во время работы», — добавил Гаст. «Как только станет понятен механизм фотосинтетического окисления воды, химики смогут приступить к разработке искусственных фотосинтетических катализаторов, которые позволят им производить полезное топливо с использованием солнечного света».При фотосинтезе кислород образуется на специальном участке металла, содержащем четыре атома марганца и один атом кальция, соединенные вместе в виде металлического кластера.
Этот выделяющий кислород кластер связан с белком PSII, который катализирует управляемый светом процесс расщепления воды. Для извлечения одной молекулы кислорода из двух молекул воды, связанных с металлическим кластером, требуется четыре световых вспышки.
Фромми заявляет, что есть два основных недостатка в получении структурной и динамической информации об этом процессе с помощью традиционной рентгеновской кристаллографии. Во-первых, изображения, которые можно получить стандартными методами определения структуры, статичны. Во-вторых, на качество структурной информации негативно влияет рентгеновское повреждение.
«Хитрость заключается в том, чтобы использовать самый мощный в мире рентгеновский лазер под названием LCLS, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики», — сказал Фромме. «Чрезвычайно быстрые фемтосекундные (10-15 секунд) лазерные импульсы делают снимки кристаллов PSII до того, как они взорвутся в рентгеновском луче, принцип, называемый« дифракция перед разрушением »».Таким образом, снимки процесса расщепления воды получаются без повреждений. Конечная цель работы — записать молекулярные фильмы расщепления воды.Команда провела эксперименты по фемтосекундной кристаллографии с временным разрешением на нанокристаллах Photosystem II, которые настолько малы, что их трудно увидеть даже под микроскопом.
Кристаллы освещаются двумя зелеными лазерными вспышками, прежде чем структурные изменения будут выявлены с помощью фемтосекундных рентгеновских импульсов.Исследователи обнаружили большие структурные изменения белка и металлического кластера, катализирующего реакцию. Кластер значительно удлиняется, освобождая место для движения молекулы воды.
«Это важный шаг к цели создания фильма о молекулярной машине, ответственной за фотосинтез, процесс, с помощью которого растения производят кислород, которым мы дышим, из солнечного света и воды», — объяснил Джон Спенс, профессор физики Университета штата Калифорния. член и научный руководитель Научно-технологического центра BioXFEL, финансируемого Национальным научным фондом, который разрабатывает методы биологии с использованием лазеров на свободных электронах.ASU недавно внес большой вклад в новаторскую работу группы фемтосекундной кристаллографии, планируя создать новый Центр прикладных структурных открытий в Институте биодизайна в ASU. Центром будет руководить Петра Фромме.Роль студента в исследованиях
Междисциплинарная команда из восьми преподавателей АГУ из Департамента химии и биохимии (Петра Фромме, Александра Рос, Том Мур и Анна Мур) и Департамента физики (Джон Спенс, Уве Вейерстолл, Кевин Шмидт и Брюс Доак) работала вместе с национальными и международные сотрудники по этому проекту. Эти результаты стали возможными благодаря отличной работе нынешних аспирантов АГУ Кристофера Купица, Шибома Басу, Дэниела Джеймса, Динджи Ванга, Челси Конрад, Шатабди Роя Чоудхури и Джей-Хау Янга, а также аспирантов и докторантов АГУ Кимберли Рендек. , Марк Хантер, Джесси Бергкамп, Цзы-Чиао Чао и Ричард Кириан.Два студента, Даниэль Кобб и Бренда Ридер, поддержали команду и приобрели обширный исследовательский опыт, работая рука об руку с аспирантами, исследователями и преподавателями лазера на свободных электронах в Стэнфорде.
Четыре старших ученых АГУ и исследователи с докторской степенью (Инго Гротджоханн, Надя Зацепин, Хайгуанг Лю и Раймунд Фромме) поддержали преподавателей в разработке, планировании и проведении экспериментов, а также сыграли важную роль в оценке данных.Первым авторством статьи являются аспиранты АГУ Кристофер Купиц и Шибом Басу.
Диссертация Купица основана на разработке новых методов роста и биофизической характеристики нанокристаллов, и Басу посвятил три года своей докторской работы разработке методов оценки данных.«Так здорово быть частью этого новаторского исследования и иметь возможность участвовать в этом невероятном международном сотрудничестве», — сказал Купиц, который этим летом закончит университет со степенью доктора биохимии. «Я присоединился к проекту, потому что мне нравится работать на ускорителе LCLS над этим важным биологическим проектом».«Самым захватывающим аспектом работы над Photosystem II является перспектива создания молекулярных фильмов, чтобы засвидетельствовать процесс расщепления воды с помощью кристаллографии с временным разрешением», — добавил Басу.
Национальные и международные участники проекта включают команду Генри Чепмена из DESY в Гамбурге, Германия, который вместе с командой ASU и исследователями из MPI в Гейдельберге впервые разработал новый метод последовательной фемтосекундной кристаллографии. Другие сотрудники включали группу во главе с Матиасом Франком, экспертом по лазерной спектроскопии и исследованиям с временным разрешением с помощью ЛСЭ из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, и команду Юлии Пушкарь из Университета Пердью, которая поддержала работу по определению характеристик кристаллов с помощью электронного парамагнетика. резонанс.«Мы невероятно близки», — сказал Чепмен из Центра лазерных исследований на свободных электронах DESY и пионер в исследованиях кристаллизованных белков без использования рентгеновских лучей. «Я думаю, это показывает, что мы действительно на правильном пути, и это сработает».Дополнительные сотрудники включают ученых из SLAC, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли; Стэнфордский институт PULSE; Институты Макса Планка медицинских исследований и ядерной физики; Гамбургский университет; европейский рентгеновский лазер на свободных электронах и Центр сверхбыстрой визуализации; Мельбурнский университет в Австралии; Уппсальский университет в Швеции; и Университет Реджайны в Канаде.
Работа была поддержана Научным отделом Министерства энергетики, Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, Немецким исследовательским фондом (DFG), Обществом Макса Планка, SLAC и программами исследований и разработок Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, а также Научно-технологический центр BioXFEL и другие.