Открытки с края фотосинтеза: фемтосекундные снимки фотосинтетического окисления воды

«Эффективный метод расщепления воды на основе солнечной энергии необходим для успеха искусственного фотосинтеза, но разработка такого метода оказалась труднодостижимой», — говорит Виттал Ячандра, химик из отдела физических биологических наук Berkeley Lab и один из руководителей этого исследования. «Используя фемтосекундные импульсы рентгеновского излучения для одновременного сбора данных дифракции рентгеновских лучей (XRD) и рентгеновской эмиссионной спектроскопии (XES) при комнатной температуре, мы обошли четырехступенчатый каталитический цикл фотосинтетического окисления воды в фотосистеме. II. Это представляет собой большой шаг вперед в направлении характеристики образования молекулы кислорода в фотосистеме II в реальном времени и дает информацию, которая должна оказаться полезной для разработки искусственных устройств на основе солнечной энергии для расщепления воды ».

Фотоокисление воды фотосистемой II отвечает за большую часть кислорода в атмосфере Земли. В основе фотосистемы II лежит металлоферментный комплекс марганец-кальций (Mn4Ca), который при возбуждении солнечными фотонами катализирует четырехфотонный цикл состояний окисления (от S0 до S3), который в конечном итоге дает молекулярный кислород. Ученым необходимо наблюдать неповрежденную рентгеновскую кристаллографию иона Mn4Ca в действии, но эта молекула очень чувствительна к излучению. LCLS — единственный в мире источник рентгеновского излучения, способный выдавать фемтосекундные импульсы с высокой интенсивностью, что позволяет визуализировать неповрежденные кристаллы фотосистемы II до того, как они будут разрушены под воздействием рентгеновских лучей.

«В более раннем исследовании LCLS мы представили объединенные данные XRD и XES для образцов фотосистемы II в темном состоянии S1 и в состоянии S2 (1-вспышка) с одной видимой вспышкой», — говорит Джунко Яно, химик из Беркли. Отделение физических биологических наук лаборатории, а также руководитель этого исследования. «В этом новом исследовании мы сообщаем данные из состояний S3 (2-вспышка) и S0 (3-вспышка), которые являются промежуточными состояниями непосредственно до и после эволюции молекулы кислорода.

Кроме того, мы сообщаем данные для первого время от индуцированного светом переходного состояния между состояниями S3 и S0, что открывает окно для выяснения механизма образования кислородно-кислородной связи, которая происходит между этими двумя состояниями ».Данные рентгеновской дифракции всех исследованных состояний вспышки выявили аномальный дифракционный сигнал от Mn, который не осложняется сигналами от общей белковой матрицы углерода, азота, кислорода и других металлов или даже от атома Са, который является частью пяти атома Mn4Ca металлоферментного комплекса.

«Обнаружение этого аномального сигнала рассеяния марганца подтверждает не только качество наших данных, но и процедуры, используемые для анализа данных», — говорит ученый-вычислитель Николас Заутер. Заутер и Пол Адамс, оба из отдела физических биологических наук лаборатории Беркли, и оба участвуют в этом исследовании, возглавляют усилия по разработке новых и более эффективных методов анализа данных из LCLS.

Ячандра и Яно полагают, что обнаружение аномального сигнала рассеяния Mn открывает возможность для обнаружения изменений, относящихся только к кластеру Mn по мере того, как он продвигается через циклы S-состояний и образование кислородно-кислородной связи, в котором происходит каталитическое действие. происходит.«Знание того, как это происходит, важно для понимания принципов конструкции, используемых в естественном фотосинтезе», — говорит Ячандра.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.