В новой статье, опубликованной в журнале Nature, международная исследовательская группа представляет изображения фотосистемы II в высоком разрешении, белкового комплекса, расщепляющего воду на ионы водорода и кислород во время фотосинтеза. Изображения помогут исследователям лучше понять этот сложный механизм и, возможно, откроют двери для разработки дешевых и эффективных устройств на солнечном топливе.
Когда сформировалась Земля, атмосфера была богата углекислым газом и не содержала свободных молекул кислорода. Ранние формы жизни, сравнимые с современными микроорганизмами, первоначально удовлетворяли свои потребности в энергии, «поедая» небольшие молекулы, богатые энергией. Впоследствии некоторые «открыли», как собирать солнечную энергию и хранить ее в богатых энергией молекулах, таких как сахара, но только когда эти ранние формы жизни смогли извлекать электроны и протоны из молекул воды, эволюция совершила огромный поворот и позволила развитию жизни, какой мы ее знаем. Этот грандиозный взрыв биологического разнообразия стал возможен благодаря обилию воды и солнечной энергии. Побочный кислород, в свою очередь, способствовал эволюции сложных животных после накопления в атмосфере.
Прошло почти 50 лет с тех пор, как Бессель Кок установил, что биологическое окисление воды в фотосистеме II включает пятиступенчатый реакционный цикл катализатора, который накапливает четыре окислительных эквивалента, прежде чем окисление воды протекает в быстрой согласованной реакции. Хотя в последние годы были получены структуры высокого разрешения темнового стабильного состояния фотосистемы II, структурные изменения, происходящие в течение пятиступенчатого реакционного цикла, оставались в значительной степени неизвестными.
Используя ультракороткие (фемтосекундные) рентгеновские лазерные импульсы, испускаемые рентгеновским лазером на свободных электронах недалеко от Стэнфорда, США, международной группе исследователей удалось получить изображения фотосистемы II и ее замечательной воды с высоким разрешением. -расщепление катализатора всех четырех стабильных состояний реакционного цикла, а также снимки стадий реакции между некоторыми стабильными состояниями. В состав команды входила исследовательская группа Йоханнеса Мессингера, заведующего кафедрой молекулярной биомиметики химического факультета Ангстремской лаборатории Упсальского университета в Швеции.
Я работаю уже 30 лет, чтобы понять механизм окисления воды в процессе фотосинтеза. Этот результат - сбывшаяся мечта! Эти новые изображения облегчат понимание этой сложной реакции на уровне детализации, который ранее считался невозможным, - говорит Йоханнес Мессингер.
Исследователи ожидают, что понимание того, как фотосистема II может активировать дешевые и распространенные ионы металлов кальций и марганец с образованием одного из лучших доступных на сегодняшний день катализаторов окисления воды, позволит химикам сделать то же самое. Это откроет двери для разработки дешевых и эффективных устройств на солнечном топливе, которые хранят солнечную энергию в связях молекулярного водорода или другого солнечного топлива, полученного восстановлением диоксида углерода или азота..
Солнечное топливо не содержит углерода или является углеродно-нейтральным. Оно потребуется в дополнение к батареям, чтобы превратить нынешнюю энергетическую систему, основанную на ископаемом топливе, в экономику возобновляемых источников энергии. Необходимость солнечного топлива очевидна, если понять что во всем мире 80 процентов современного потребления энергии основано на топливе. Даже в Швеции более 50 процентов энергии используется в виде топлива и только 34 процента в виде электричества», - говорит Йоханнес Мессингер.