Augalo ląstelėje pradėti fotosintezę užtenka keturių fotonų, bet kas konkrečiai nutinka, kai sugeriamas ketvirtas fotonas, tyrėjams buvo paslaptis – lig šiol

Dvi tyrėjų komandos atskleidė mikroskopines deguonies formavimosi detales, vykstant fotosintezei – procesui, kuriuo augalai, dumbliai ir kai kurios bakterijos prasimano energijos. Fotosintezės supratimas tokiu lygiu gali tapti postūmiu, kuriant švarius kurus.

Tyrėjai jau žinojo, kad tam, kad prasidėtų fotosintezė, tereikia, kad molekulinę augalo struktūrą vienas po kito paveiktų keturi šviesos fotonai. Šiuos fotonus absorbuoja mangano, kacio ir deguonies atomų grupė, kuri savo ruožtu suskaido augalo vandens molekules, išlaisvindama deguonį. Bet kas konkrečiai nutinka, kai atomų grupę paveikia ketvirtasis fotonas, daugybę metų išsiaiškinti nepavyko. Dabar dviem eksperimentais šias žinių spragas pavyko užkaišyti.

Janas Kernas iš Lawrence'o Berkeley'io nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje su kolegomis užfiksavo mikroskopines fotosintezės detales, naudodami aukštos energijos rentgeno spindulius. Iš melsvadumblių išgautų molekulių grupes jie išdėstė ant konvejerio juostos tokiu būdu, kad iš pradžių jos buvo paveikiamos regimos šviesos fotonais, būtinais pradėti vandens skaidymą. Tuomet rentgeno spindulių pulsais užfiksavo atomų išsidėstymus proceso metu.

Paveiktas ketvirtu fotonu, baltymų kompleksas „Photosystem II“ (PSII) per kelias mikrosekundes suskaido vandens molekulę. Rentgeno spinduliai buvo leidžiami taip greitai, kad buvo galima išmatuoti laiką nuo vandens suskilimo iki galiausiai į atmosferą pateksiančio deguonies molekulių formavimosi – šie du įvykiai nevyksta vienu metu. Bet tarp šių dviejų žingsnių gauti atvaizdai nebuvo pakankamai aštrūs, kad būtų matyti deguonies atomų konfigūracija.

Tačiau kitų PSII molekulės dalių išsidėstymas apie tuos deguonies atomus parodė, kad deguonis suformavo kitokią naują struktūrą. Šioje fazėje deguonies atomai nebuvo susijungę su vandeniliu kaip vandenyje ar į didesnę deguonies molekulę, bet tikriausiai buvo trumpam prisikabinę prie kitos PSII dalies. Šis fotosintezės žingsnis anksčiau buvo tik teoretinis, sako Kernas.

Holgeris Dau iš Berlyno Laisvojo universiteto su kolegomis irgi sutelkė dėmesį į baigiamąją vandens skaldymo proceso dalį, bet vietoje rentgeno atvaizdų, jie infraraudonaisiais spinduliais fiksavo elektronų ir protonų judėjimą tarp atomų. Jie išskyrė PSII iš 40 kilogramų šviežių špinatų ir, paveikę regimosios šviesos fotonais, apšvietė infraraudonąja šviesa.

Kai PSII sugėrė IR spinduliavimą, kiekvienas bangos ilgis koreliavo su konkrečios jungties vibracijomis. Tyrėjai šiuos matavimus sujungė su elektronų ir protonų judėjimu fotosintezės+ proceso metu Leonardo Guidoni ir jo komandos iš L'Aquila'os universiteto atliktoje kompiuterinėje simuliacijoje. Tai atskleidė esminį naują proceso žingsnį, kur trys protonai iškeičiami į vieną elektroną tarp deguonies atomų ir likusios PSII dalies.

Taip pat Lawrence Berkeley nacionalinėje laboratorijoje dirbantis Philippas Simonas sako, kad kai iš kai kurių rentgeno atvaizdų netgi būtų galima daryti išvadą, kad šis protonų judesys pačioje vandens skilimo proceso pabaigoje gali nutikti netgi du kartus. Abi komandos nori dar daugiau detalių išsiaiškinti sparčiau matuodami, naudodami grynesnius PSII mėginius ir daugiau IR šviesos. Guidoni sako, kad šie fotosintezės tyrimo būdai vienas kitą papildo. „Kuo daugiau duomenų iš visų eksperimentų turime, tuo labiau galime pažinti menkiausius proceso žingsnelius“, sako jis.

Suprasti fotosintezės procesu metu vykstantį vandens skaldymą svarbu ir vystant prietaisus, verčiančius vandenį vandenilio kuru, sako Dimitrios Pantazis iš Maxo Plancko Anglies tyrimo instituto Vokietijoje. „Negalime tiesiogiai atkurti biologinės sistemos, bet ji yra vienintelė žinoma, taip efektyviai skaidanti vandenį. Tad, būtina išsiaiškinti visas per milijardus metų išsivysčiusias vandens skaidymo plonybes“, – pažymi jis.

Karmela Padavic-Callaghan
www.newscientist.com

Žurnalo nuoroda: Nature DOI: 10.1038/s41586-023-06038-z, DOI: 10.1038/s41586-023-06008-5