Kamera läuft!

Wissenschaftler konnten mit Hilfe von Freie-Elektronen-Röntgenlasern erstmals den Proteinkomplex Photosystem II bei der Spaltung von Wasser beobachten. Ihre Ergebnisse geben Hinweise darüber, wie genau die Photosynthese in Pflanzen abläuft, damit sie eines Tages in künstlichen Blättern nachgebaut werden kann.

Photosynthese ist die wohlwichtigste biochemische Reaktion der Welt. Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien nutzen dabei die Energie des Sonnenlichts zum Aufbau von energiereichen organischen Verbindungen und produzieren ganz nebenbei den für uns lebenswichtigen Sauerstoff. Zwei große membrangebundene Proteinkomplexe sind dafür notwendig, Photosystem I und II.

Jetzt haben Wissenschaftler mit einer neuen Technik erstmals Bilder von unterschiedlichen Anregungszuständen des Photosystem II (PS II) aufgenommen. „Dies ist die erste Szene eines molekularen Films, der die lichtgesteuerte Spaltung von Wasser im Photosystem II zeigt“, erklärt Petra Fromme von der Arizona State University, Hauptautorin der Studie. Dabei werden deutlich die großen Bewegungen des Moleküls erkennbar, besonders im und rund um den sauerstoffproduzierenden Komplex (OEC). „Die deutliche Formänderung, die wir beobachten konnten, hat uns überrascht. Sie führt zu einer Änderung der gesamten Struktur.“

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In vier Schritten vom Wasser zum Sauerstoff

Der OEC durchläuft bei der Wasserspaltung fünf Phasen, die sich durch die Anregungszustände der darin enthaltenen Manganionen unterscheiden. Dabei lösen insgesamt vier Lichtblitze nacheinander vier Elektronen aus dem Mangan-Cluster heraus, bevor sie schließlich auf Wasser übertragen werden und zur Bildung von Sauerstoff und Wasserstoffionen führen. Der Kreislauf vom reduzierten Zustand S₀ bis in den komplett oxidierten, aber instabilen Zustand S₄ wird auch als Kok-Zyklus bezeichnet.

Dass der Prozess der Wasserspaltung in vier Schritten abläuft, war bereits klar, aber „bislang hat niemand diese vier Schritte wirklich gesehen“, erklärt Koautor Henry Chapman vom Center for Free-Electron Laser Science. Denn wie genau die Wasserspaltung abläuft wird zurzeit noch heftig debattiert und es kursieren zahlreiche mechanistische Modelle.

Um Aufnahmen von diesem dynamischen Prozess zu erhalten, beleuchteten die Wissenschaftler Kristalle des PS II zunächst mit zwei aufeinanderfolgenden Lichtblitzen. Damit lösten sie den Übergang vom Dunkelzustand S1 in den doppelt angeregten Zustand S3 aus. Mit zeitverzögerten, extrem kurzen Röntgenblitzen analysierten sie dann die Struktur des Proteinkomplexes in den unterschiedlichen Anregungszuständen – und konnten eine deutliche Formänderung beobachten.

Noch mangelt es an der Auflösung

Die genaue Interpretation der Daten wird noch dadurch erschwert, dass bisher nur eine Auflösung von 5 Ångström erreicht werden konnte. Als nächstes sollen daher Bilder von allen Anregungszuständen des OEC in verbesserter Auflösung produziert werden. Dann könnte der gesamte Vorgang der Wasserspaltung beobachtet und möglicherweise in künstlichen Blättern nachgebaut werden.

Obwohl bereits viel zur Photosynthese geforscht worden ist, liegen viele Details über die Arbeitsweise der beteiligten Proteinkomplexe weiterhin im Dunkeln. Zwar konnten mit Hilfe von Röntgenstrukturanalyse bereits Bilder von Photosystem II (PS II) in nahezu atomarer Auflösung produziert werden. Doch unklar war weiterhin, wie genau im inneren des riesigen Moleküls Lichtenergie zur Wasserspaltung genutzt wird, denn gewöhnliche Röntgenstrukturanalyse liefert nur statische Bilder. Problematisch ist auch, dass bei Röntgenstrukturanalyse häufig Strahlenschäden an den zu untersuchenden Kristallen auftreten, also Bindungen gespalten und ganze funktionelle Gruppen abgetrennt werden.

Die Methode der seriellen Femtosekunden-Röntgenstrukturanalyse überwindet beide Probleme. Die zu untersuchenden Kristalle werden mit intensiven, aber extrem kurzen Laserpulsen bestrahlt. Das Licht ist so intensiv, dass die Probe dabei zerstört wird, aber gleichzeitig so kurz, dass die Beugung beobachtet werden kann, bevor die Zerstörung einsetzt (eine Femtosekunde entspricht einer Billiardstel Sekunde).