Международная группа ученых приближается к ответу благодаря беспрецедентным изображениям в атомном масштабе белкового комплекса растений, водорослей и цианобактерий, снятым сверхбыстрым рентгеновским лазером.Эксперименты, проводимые Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Лаборатория Беркли), помогают исследователям сузить процесс, с помощью которого белок, называемый фотосистемой II, использует световую энергию для расщепления воды и создания кислорода. В этой системе производится почти весь кислород в атмосфере.
Не менее важно, что эта реакция также дает протоны и электроны, которые используются для восстановления углекислого газа до углеводов на более поздних этапах цикла фотосинтеза.Изображения, опубликованные в выпуске журнала Nature от 21 ноября, представляют собой первое трехмерное изображение фотосистемы II в действии с высоким разрешением. Когерентный источник света линейного ускорителя (LCLS) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.Фотосистема II находится в тилакоиде, отделении в хлоропластах и цианобактериях, окруженном мембраной.
В тилакоиде происходят светозависимые реакции фотосинтеза, но точная природа этих реакций, как это ни парадоксально, оставалась для ученых в неведении.«Крио-изображения были сделаны, когда белок находился в темноте или в состоянии покоя», — сказал главный исследователь исследования Джунко Яно, старший научный сотрудник отдела молекулярной биофизики и интегрированного биоимиджинга лаборатории Беркли. «Но стадии фотосистемы II не протекают при отрицательных температурах. То, что мы впервые смогли сделать, используя рентгеновские лазеры, — это изучить этот процесс при комнатной температуре, чтобы мы могли сказать, что на самом деле происходит в природе».
Яно работал с одним из главных исследователей Витталом Ячандрой и старшими авторами Николасом Саутером и Яном Керном, членами отдела молекулярной биофизики и комплексной биовизуализации лаборатории Беркли.«На протяжении десятилетий мы пытались понять, как растения расщепляют воду на кислород, протоны и электроны», — сказал Ячандра. «Понимание того, как природа так легко выполняет эту сложную реакцию, важно для разработки экономичного метода расщепления воды на основе солнечной энергии, что необходимо для искусственного фотосинтеза и возобновляемых источников энергии».Их особенно интересовал небольшой металлический катализатор белка, выделяющий кислород комплекс, в котором атомы кислорода соединяют четыре атома марганца с одним атомом кальция.
Как этот катализатор накапливает энергию фотонов и окисляет две молекулы воды — ключевой вопрос фотосинтеза.«К нашему удивлению, мы обнаружили, что две ведущие теории, объясняющие механизмы протекания реакции, вероятно, неверны», — сказал Ячандра. «Если бы теории были верны, мы бы увидели связывание воды с определенными участками и другими предполагаемыми особенностями белка.
Это означает, что происходит что-то еще, поэтому теперь мы находим правильный ответ посредством процесса исключения».Сбор данных перед уничтожением
Возможность заглянуть в процесс расщепления воды при комнатной температуре была затруднена из-за того, что большинство технологий визуализации или кристаллографии с использованием рентгеновских лазеров разбивают образцы на биты, прежде чем можно будет собрать значимые данные. Последние достижения LCLS изменили это положение.«Прелесть LCLS в том, что лазерные импульсы настолько короткие — всего 40 фемтосекунд, но очень интенсивны — что вы можете собрать данные до того, как образец будет уничтожен», — сказал Керн. «Это очень ново, и в настоящее время есть только два места в мире, где это можно сделать».
Фемтосекунда — одна квадриллионная секунды. Чтобы получить представление о масштабе, его можно сравнить с той, какой была бы одна секунда за промежуток времени примерно в 30 миллионов лет.
Для получения деталей с более высоким разрешением, демонстрирующих молекулярные связи, также требуются образцы кристаллов более высокого качества, выращенные в точно контролируемых условиях.«Пространственное разрешение структуры, о которой мы сообщаем, составляет 2,25 ангстрем», — сказал Керн. «Мы пытаемся увидеть процесс в чрезвычайно крошечных масштабах, и это первый раз, когда мы получаем пространственное разрешение, которое даже приближается к этому. Мы только начинаем понимать историю».
В LCLS исследователи сначала осветили образцы своих кристаллов зелеными фотонами, чтобы вызвать фотосинтетические реакции в фотосистеме II. Затем они направили импульсы рентгеновского излучения на кристаллы, получив данные дифракции, которые были быстро собраны до того, как кристалл был разрушен.
Исследователи использовали аммиак в качестве маркера, помогающего определить расположение молекул воды по всей структуре. Если в месте связывания присутствовал аммиак, исследователи знали, что воды там нет.
Собираем кусочки вместеПрограммные алгоритмы, разработанные Заутером, Полом Адамсом (также из отдела молекулярной биофизики и интегрированного биоимиджинга в лаборатории Беркли), и их соответствующие группы были затем использованы для перевода дифракционных показаний в трехмерную визуализацию фотосистемы II.Поскольку каждый образец кристалла может пережить только один выстрел рентгеновского лазера, прежде чем его разнесут вдребезги, исследователям пришлось вырастить их сотни тысяч, чтобы получить достаточно данных, чтобы охватить промежуточные стадии реакции.
«В LCLS вы получаете только крошечную часть данных за раз, поэтому вам нужно собрать их все вместе», — сказал Заутер, описывая роль программного обеспечения, используемого для создания изображений. «Это все равно, что взять пазл, бросить все части на пол, а затем собрать их вместе».