A compreensão dos mecanismos moleculares subjacentes ao fenómeno da fotossíntese pode permitir progressos significativos nos domínios da biotecnologia e das energias renováveis. O fotossistema II (PSII), um complexo proteico, desempenha um papel central neste processo, catalisando a oxidação da água e produzindo dioxigênio a partir da luz solar, etapa fundamental na fotossíntese oxigenada. Apesar da extensa investigação, a dinâmica estrutural do PSII durante a reacção de divisão da água, especialmente a nível atómico e em escalas de tempo curtas, permanece largamente inexplorada.



Pesquisas anteriores forneceram informações valiosas sobre as mudanças estruturais que ocorrem no PSII durante a reação de divisão da água, com foco em escalas de tempo de microssegundos a milissegundos. No entanto, tem havido uma falta de informação estrutural de alta resolução em escalas de tempo mais curtas, particularmente durante as transições entre diferentes estados do complexo evolutivo de oxigénio (OEC) induzidos pela excitação luminosa, o que é essencial para a compreensão do mecanismo de oxidação da água e do oxigénio. evolução.

Para resolver esta lacuna de pesquisa, o professor Michihiro Suga e o professor Jian-Ren Shen do Instituto de Pesquisa para Ciências Interdisciplinares, Escola de Pós-Graduação em Meio Ambiente, Vida, Ciências Naturais e Tecnologia da Universidade de Okayama, no Japão, utilizaram cristalografia de raios-X de femtosegundo serial com sonda de bomba. (TR-SFX), uma técnica conhecida por capturar mudanças estruturais ultrarrápidas em macromoléculas biológicas com notável precisão espacial e temporal.

Seguindo protocolos estabelecidos, os microcristais PSII foram meticulosamente preparados e submetidos a uma ou duas excitações de luz com flashes de laser, seguidos de iluminação com pulsos de raios X de femtossegundos gerados por um laser de elétrons livres de raios X (XFEL).

“O processo de geração de microcristais para o fotossistema II foi demorado, demorando quase cinco anos até que as descobertas fossem compiladas e publicadas”, disse o professor Michihiro Suga.

Ao expor os cristais a flashes de laser e capturar padrões de difração de raios X em vários atrasos de tempo, os pesquisadores puderam rastrear extensivamente pequenas alterações estruturais no PSII, variando de nanossegundos a milissegundos após a iluminação pós-flash.

As descobertas, publicadas na Nature , revelam a intrincada dinâmica estrutural do PSII durante transições cruciais do S₁ para S₂ e S₂ para S₃ estados para compreender eventos cruciais, como transferência de elétrons, liberação de prótons e fornecimento de água ao substrato.

Após a exposição dos cristais a flashes de laser, foram observadas rápidas alterações estruturais no resíduo de tirosina YZ, sugerindo a ocorrência de processos rápidos de transferência de elétrons e prótons.

Uma molécula de água perto de Glu189 da subunidade D1 foi encontrada imediatamente após dois flashes, que posteriormente foram transferidos para uma posição chamada O6 perto de O5 como encontrado anteriormente, fornecendo informações valiosas sobre a origem do átomo de oxigênio incorporado durante a reação de divisão da água.

A investigação também esclareceu os movimentos concertados das moléculas de água dentro de canais específicos, elucidando o seu papel crucial na facilitação do fornecimento de água ao substrato e da libertação de protões. Estas observações lançam luz sobre a intrincada interação entre a estrutura proteica e as moléculas de água, destacando a sua contribuição sinérgica para a eficiência do ciclo catalítico do PSII.

"As descobertas de nossa pesquisa têm implicações significativas para vários campos, particularmente no projeto de catalisadores para fotossíntese artificial. Ao elucidar os mecanismos moleculares subjacentes à oxidação da água no PSII, podemos inspirar o desenvolvimento de catalisadores sintéticos capazes de aproveitar eficientemente a energia solar através de energia solar artificial. fotossíntese", explica o professor Jian-Ren Shen.

Os investigadores afirmam que ao compreender a dinâmica estrutural do PSII, também podemos informar estratégias para otimizar os processos fotossintéticos naturais nas culturas para aumentar a produtividade agrícola e mitigar os efeitos das alterações climáticas. Acrescentando que estas descobertas não só aprofundam a nossa compreensão dos processos biológicos fundamentais, mas também representam uma enorme promessa para enfrentar os desafios globais urgentes relacionados com a sustentabilidade energética e a conservação ambiental.

Mais informações: Hongjie Li et al, Estruturas do fotossistema II em evolução de oxigênio durante as transições S1 – S2 – S3, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Okayama