Решающую роль в смягчении последствий изменения климата играют растения: они используют солнечный свет для удаления углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, из атмосферы и преобразования его в биомассу. Расщепляя воду, они также производят кислород, которым мы дышим.
Этот последний процесс может оказаться даже более важным для сохранения климата: если его полностью понять, он приведет исследователей к разработке устройств, которые производят чистое водородное топливо из солнечной энергии и воды с гораздо большей эффективностью, чем растения могут производить биомассу.В сотрудничестве с международной командой исследователей профессор Йоханнес Мессинджер, который недавно присоединился к программе молекулярной биомиметики в Упсальском университете, теперь нашел способ визуализировать эту реакцию с высоким разрешением с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальном ускорителе SLAC. Лаборатория и Стэнфордский университет.
Для этой работы исследовательский консорциум разработал новые способы выращивания микрокристаллов фотосистемы II, белкового комплекса, который у растений отвечает за производство кислорода из воды с использованием солнечного света. Затем эти микрокристаллы были помещены на конвейерную ленту с использованием технологии, близкой к струйной печати. На ленте кристаллы освещались лазерными вспышками зеленого света, чтобы запустить цикл реакции расщепления воды. Структура этих активированных состояний впоследствии была визуализирована путем попадания на кристаллы на конце ленты сверхбыстрых импульсов рентгеновского излучения.
«Эта работа является прорывом. Она открывает путь к постепенному изучению того, как молекула кислорода образуется из двух молекул воды», — говорит Йоханнес Мессинджер, который является одним из ведущих авторов этого исследования.В отчете авторы смогли разрешить структурные различия между двумя состояниями фотосистемы II, которые участвуют в расщеплении воды. Для достижения этой цели исследовательские группы из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Стэнфордского университета, Университета Гумбольдта в Берлине, Университета Умео и Университета Упсалы сотрудничали в течение пяти лет.
«Теперь мы все настроены на то, чтобы разгадать последние загадки того, как растения производят кислород — мечта сбылась», — говорит Йоханнес Мессинджер.