Untangling یک گام کلیدی در فتوسنتز اکسیژن تولید

Photosystem II یک پروتئین پیچیده در گیاهان و جلبک و سیانو باکتری ها که مسئول تقسیم آب و تولید اکسیژن تنفس می کنیم. بیش از چند سال گذشته یک همکاری بین المللی بین دانشمندان در وزارت انرژی Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, و چند تن دیگر موسسات شده اند قادر به مشاهده مراحل مختلف از این آب تقسیم چرخه در درجه حرارت که در آن در طبیعت رخ می دهد.

در حال حاضر این تیم با استفاده از همان روش به صفر در یک گام کلیدی است که در آن یک مولکول آب به حرکت در پل منگنز و کلسیم اتم در کاتالیزوری کمپلکس تجزیه آب برای تولید تنفس اکسیژن است. آنچه را که آنها آموخته به ارمغان می آورد آنها را یک گام نزدیک تر به دست آوردن یک تصویر کامل از این روند طبیعی است که می تواند در اطلاع رسانی به نسل بعدی فتوسنتز مصنوعی سیستم های است که برای تولید انرژی پاک و تجدید پذیر انرژی از نور خورشید و آب. نتایج خود را منتشر شد که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم امروز است.

"ما نشان داده است که ممکن است به این اندازه گیری های قبلی تکرار این کار می کنند اما ما تا به حال هرگز وضوح فضایی و یا به اندازه کافی زمان به واقعا تمرین کردن به این جزئیات ظریف می گوید:" co-نویسنده اووه Bergmann ممتاز کارکنان دانشمند در SLAC. "پس از دقت در بهینه سازی این آزمایش بیش از سال های بسیاری از ما honed ما توانایی تصمیم گیری در کیفیت بالا به اندازه کافی برای دیدن این تغییرات برای اولین بار."

سطل تیپ

در طول فتوسنتز اکسیژن در حال تکامل پیچیده یک خوشه از چهار اتم منگنز و کلسیم اتم متصل به اتم های اکسیژن چرخه را از طریق چهار پایدار اکسیداسیون متحده شناخته شده به عنوان S0 از طریق S3 هنگامی که در معرض نور خورشید است.

در یک بازی بیس بال, زمینه S0 خواهد بود شروع بازی زمانی که یک بازیکن در صفحه اصلی پایگاه آماده است برای رفتن به خفاش. S1-S3 خواهد بود بازیکنان در اول و دوم و سوم. هر بار که یک خمیر متصل با یک توپ و یا پیچیده جذب یک فوتون از نور خورشید بازیکن در این زمینه پیشرفت یک پایه. هنگامی که چهارمین توپ ضربه این بازیکن به داخل خانه و به ثمر اجرا و یا در مورد Photosystem II, انتشار تنفس اکسیژن است. این پژوهش با تمرکز بر انتقال از S2 به S3, آخرین پایدار میانی دولت قبل از یک مولکول اکسیژن تولید می شود.

اکسیژن در حال تکامل پیچیده است که احاطه شده توسط آب و پروتئین است. در این مرحله دانشمندان در نگاه جریان آب از طریق یک مسیر به پیچیده که در آن یک مولکول آب در نهایت به شکل یک پل بین یک اتم منگنز و کلسیم اتم. این مولکول آب به احتمال زیاد فراهم می کند و یک اتم اکسیژن در مولکول اکسیژن تولید شده در پایان چرخه.

با استفاده از SLAC را Linac منسجم منبع نور (LCLS) X-ray لیزر محققان دریافتند که مولکول های آب در حال تقبل قایق از آب عبور به این مجموعه به عنوان اگر از طریق یک سطل تیپ: حرکت آنها در بسیاری از گام های کوچک از پایان یک مسیر دیگر. آنها همچنین نشان داد که کلسیم اتم در درون این مجموعه می تواند درگیر در رفت آب در.

"آن را مانند یک newton's Cradle می گوید:" Vittal Yachandra یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشمند ارشد در آزمایشگاه برکلی شده که Photosystem دوم برای بیش از 35 سال است. "معمولا در آب مایع چیزهایی که به طور مداوم در حال حرکت در اطراف, اما در حال حاضر ما در این جذاب وضعیت که در آن برخی از مولکول های آب در اطراف منگنز خوشه تغییر موقعیت خود را در حالی که دیگران در واقع همیشه در همان محل. شما می توانید تکرار این آزمایش 10,000 بار و آنها هنوز هم نشسته بود که در همان نقطه است."

کار در پشت سر هم

در LCLS تیم برافروخت نمونه از سیانو باکتری ها با فوق سریع پالس اشعه X به جمع آوری هر دو X-ray کریستالوگرافی و طیف سنجی داده ها به نقشه چگونه الکترون جریان اکسیژن در حال تکامل مجتمع Photosystem دوم. این تکنیک از طریق آنها قادر به به طور همزمان نقشه ساختار آن و کشف اطلاعات در مورد فرآیند شیمیایی در منگنز خوشه.

قبلا محققان تا به حال با استفاده از این روش به مطمئن شوید که نمونه دست نخورده بود و از همه مهمتر همچنین در سمت راست میانی شیمیایی دولت است. این مقاله نخستین بار محققان قادر به ادغام دو مجموعه از اطلاعات برای دیدن اتصالات بین های ساختاری و تغییرات شیمیایی. این اجازه محققان به تماشای چگونه مراحل آشکار در زمان واقعی و یادگیری چیزهای جدید در مورد واکنش.

"این هیجان انگیز است برای دیدن" علت و معلول "از تغییرات ناشی از جذب نور به عنوان آنها رخ می دهد" Yachandra می گوید.

"از آن آسان است برای فراموش کردن چگونه بحرانی محیط زیست است و چگونه آن را قادر می سازد این واقعا فرآیندهای پیچیده می گوید:" جونکو یانو یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشمند ارشد در آزمایشگاه برکلی. "زندگی اتفاق نمی افتد در یک خلاء; تمام قطعات باید با هم کار کنند برای ایجاد واکنش ممکن است. این نتایج نشان می دهد ما چقدر پروتئین و مولکول های آب در اطراف کاتالیزوری خوشه کار در پشت سر هم برای ساخت اکسیژن است. نتایج ما شروع خواهد شد راه های جدید تفکر و الهام بخش نوع جدیدی از پرسش است."

آماده, مجموعه اکشن!

فراتر از فتوسنتز یانو می گوید: این روش را می توان به دیگر سیستم های آنزیمی را دقیق تر عکس از واکنش های کاتالیزوری.

"این به ما اجازه می دهد برای اتصال سازه های زیست شناسی و شیمی از سیستم به درک و کنترل پیچیده واکنش های شیمیایی," او می گوید.

هدف نهایی این پروژه به قطعه با هم یک اتمی فیلم با استفاده از بسیاری از عکس های ساخته شده در طول فرآیند از جمله گریزان گذرا دولت در پایان است که اوراق قرضه دو اتم های اکسیژن از مولکول های آب به شکل مولکول اکسیژن.

"رویای ما این است که رفتن در سراسر واکنش چرخه و به اندازه کافی زمان و جزئیات است که شما می توانید کل فرایند آشکار از اولین فوتون از نور در آینده به اولین مولکول از تنفس اکسیژن بیرون می آید می گوید:" co-نویسنده Jan کرن کارکنان دانشمند در آزمایشگاه برکلی. "ما شده ایم ساخت مجموعه ای برای این فیلم ایجاد روش ما و نشان دادن آنچه ممکن است. در حال حاضر این دوربین در نهایت نورد و ما می توانید شروع به کار بر روی ویژگی های فیلم است."

###

در علاوه بر این به SLAC و برکلی و آزمایشگاه های همکاری شامل محققان از دانشگاه اوپسالا و دانشگاه اومئو در سوئد; دانشگاه هومبولت برلین و دانشگاه هایدلبرگ در آلمان; دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و دانشگاه کالیفرنیا در سان فرانسیسکو; الماس منبع نور و Rutherford Appleton Laboratory در انگلستان و ژاپن Synchrotron Radiation موسسه تحقیقات و RIKEN بهار-8 مرکز در ژاپن است.

مولفه های کلیدی از این کار انجام شد در SLAC استنفورد Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL); برکلی آزمایشگاه پیشرفته منبع نور (ALS) و انرژی ملی تحقیقات علمی مرکز محاسبات (NERSC); و زمستان-8 Angstrom جمع و جور ليزر الکترون آزاد (SACLA) در ژاپن است. LCLS, SSRL ALS و NERSC هستند سازمان حفاظت محیط زیست از علوم کاربر امکانات. این کار با حمایت سازمان حفاظت محیط زیست از علم و موسسه ملی بهداشت در میان دیگر سازمان های مالی است.

سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! مسئول صحت اخبار منتشر شده به EurekAlert! با کمک موسسات و یا برای استفاده از هر گونه اطلاعات از طریق EurekAlert سیستم.