p O fotossistema II é um complexo de proteínas em plantas, algas e cianobactérias responsáveis ​​por dividir a água e produzir o oxigênio que respiramos. Ao longo dos últimos anos, uma colaboração internacional entre cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia, O Laboratório Nacional de Aceleração SLAC e várias outras instituições puderam observar várias etapas desse ciclo de divisão da água na temperatura em que ocorre na natureza. p Agora, a equipe usou o mesmo método para se concentrar em uma etapa-chave em que uma molécula de água se move para unir os átomos de manganês e cálcio no complexo catalítico que divide a água para produzir oxigênio respirável. O que aprenderam os deixa um passo mais perto de obter uma imagem completa desse processo natural, que poderia informar a próxima geração de sistemas fotossintéticos artificiais que produzem energia limpa e renovável a partir da luz solar e da água. Seus resultados foram publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences hoje.

p “Demonstramos que é possível fazer essas medições em iterações anteriores deste trabalho, mas nunca tivemos a resolução espacial ou pontos de tempo suficientes para realmente nos aprofundar nesses detalhes mais sutis, "diz o co-autor Uwe Bergmann, um distinto cientista da equipe do SLAC. "Depois de otimizar cuidadosamente este experimento ao longo de muitos anos, aprimoramos nossa capacidade de fazer medições com qualidade alta o suficiente para ver essas pequenas mudanças pela primeira vez. "

p A brigada do balde

p Durante a fotossíntese, o complexo de evolução de oxigênio, um aglomerado de quatro átomos de manganês e um átomo de cálcio conectado por átomos de oxigênio, percorre quatro estados de oxidação estáveis, conhecido como S0 a S3, quando exposto à luz solar.

p Em um campo de beisebol, S0 seria o início do jogo quando um jogador na base estivesse pronto para rebater. S1-S3 seriam os jogadores em primeiro lugar, segundo, e terceiro. Cada vez que um rebatedor acerta uma bola, ou o complexo absorve um fóton de luz solar, o jogador em campo avança uma base. Quando a quarta bola é atingida, o jogador desliza para dentro de casa, marcar uma corrida ou, no caso do Photosystem II, liberando oxigênio respirável. Esta pesquisa se concentrou na transição de S2 para S3, o último estado intermediário estável antes que uma molécula de oxigênio seja produzida.

p O complexo de desenvolvimento de oxigênio é cercado por água e proteínas. Na etapa que os cientistas observaram, a água flui por um caminho para o complexo, onde uma molécula de água, em última análise, forma uma ponte entre um átomo de manganês e um átomo de cálcio. Essa molécula de água provavelmente fornece um dos átomos de oxigênio na molécula de oxigênio produzida no final do ciclo.

p Usando o laser de raios-X Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, os pesquisadores descobriram que as moléculas de água são transportadas para o complexo como se por meio de uma brigada de baldes:elas se movem em pequenos passos de uma extremidade à outra do caminho. Eles também mostraram que o átomo de cálcio dentro do complexo pode estar envolvido no transporte da água.

p "É como um berço de Newton, "diz Vittal Yachandra, um dos autores do estudo e um cientista sênior do Berkeley Lab que trabalha no Photosystem II há mais de 35 anos. "Normalmente, na água líquida as coisas estão constantemente se movendo, mas agora estamos nesta situação fascinante onde algumas das moléculas de água ao redor do aglomerado de manganês mudam de posição, enquanto outros estão, na verdade, sempre no mesmo lugar. Você pode repetir o experimento 10, 000 vezes e eles ainda estarão sentados no mesmo lugar. "

p Trabalhando em conjunto

p Na LCLS, a equipe coletou amostras de cianobactérias com pulsos ultrarrápidos de raios-X para coletar dados de cristalografia e espectroscopia de raios-X para mapear como os elétrons fluem no complexo de evolução de oxigênio do fotossistema II. Através desta técnica, eles são capazes de mapear simultaneamente sua estrutura e descobrir informações sobre o processo químico no aglomerado de manganês.

p Anteriormente, os pesquisadores usaram essa técnica para garantir que a amostra estava intacta e, o que é importante, também no estado químico intermediário correto. Este artigo marca a primeira vez que os pesquisadores conseguiram mesclar os dois conjuntos de informações para ver as conexões entre as mudanças estruturais e químicas. Isso permitiu que os pesquisadores observassem como as etapas se desdobram em tempo real, e aprender coisas novas sobre a reação.

p "É emocionante ver a 'causa e efeito' das mudanças induzidas pela absorção de luz à medida que acontecem, "Yachandra diz.

p "É fácil esquecer o quão crítico é o ambiente e como ele permite esses processos realmente complicados, "diz Junko Yano, um dos autores do estudo e um cientista sênior do Berkeley Lab. "A vida não acontece no vácuo; todos os componentes precisam trabalhar juntos para tornar a reação possível. Esses resultados nos mostram como as moléculas de proteína e água ao redor do cluster catalítico trabalham em conjunto para produzir oxigênio. Nossos resultados darão início a uma nova forma de pensar e inspirar novos tipos de perguntas. "

p Preparar, definir, açao!

p Além da fotossíntese, Yano diz, esta técnica pode ser aplicada a outros sistemas enzimáticos para fazer instantâneos mais detalhados de reações catalíticas.

p "Isso nos permite conectar a biologia estrutural e química de sistemas para entender e controlar reações químicas complicadas, " ela diz.

p O objetivo final do projeto é montar um filme atômico usando muitos instantâneos feitos ao longo do processo, incluindo o indescritível estado transiente no final que une dois átomos de oxigênio de duas moléculas de água para formar a molécula de oxigênio.

p "Nosso sonho é percorrer todo o ciclo de reação e obter pontos de tempo e detalhes suficientes para que você possa ver todo o processo se desenrolar, desde o primeiro fóton de luz que entra para a primeira molécula de oxigênio respirável que sai, "diz o co-autor Jan Kern, um cientista da equipe do Berkeley Lab. "Estamos construindo o cenário para este filme, estabelecendo nossa técnica e mostrando o que é possível. Agora as câmeras estão finalmente rodando e podemos começar a trabalhar no longa-metragem. "