Spinat – Energielieferant der Zukunft

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Laser als Sonne

Sobald die Proteine vorsichtig extrahiert worden sind, regt die Mannschaft sie mit einem Laser an und registriert Änderungen in der Elektronenkonfiguration ihrer Moleküle. „Die Proteine brauchen Licht um aktiv zu werden, deshalb fungiert der Laser als Sonne in diesem Experiment,“ sagte Pushkar. „Sobald die Proteine anfangen zu arbeiten, verwenden wir fortgeschrittene Techniken wie Elektronen-Parakernspinresonanz und Röntgenstrahl-Spektroskopie, um zu beobachten, wie sich die elektronische Struktur der Moleküle mit der Zeit verändert, während sie ihre Reaktionen durchlaufen.“

Photosystem II ist am photosynthetischen Prozess beteiligt, der Wassermoleküle in Sauerstoff, Protonen und Elektronen spaltet. Während dieses Prozesses durchläuft ein Teil des Protein-Komplexes, genannt sauerstoff-entwickelnder Komplex, durch fünf Zustände, in denen vier Elektronen abgespalten werden, sagte sie.

Neue Technik

Die internationale Mannschaft entdeckte kürzlich die Struktur des ersten und dritten Zustands in einer Größenordnung von 5, beziehungsweise 5,5 Ångström (10-7 mm), indem sie  eine neue Technik namens serielle Femtosekunden-Kristallographie verwendete. Eine Studie, die ausführlich über die Ergebnisse berichtet, wurde in Nature veröffentlicht und ist online verfügbar. Ko-Autoren der Studie waren Lifen Yan (siehe Foto oben) und die Ex-Purdue-Studentin Katherine Davis – beide hatten bei dem Projekt mitgewirkt.

Petra Fromme, Professorin für Chemie- und Biochemie an der Arizona State University, leitet das internationale Team: „Der Trick besteht darin, dass wir den stärksten Röntgenstrahl-Laser in der Welt namens LCLS im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums verwenden,“ so Fromme in einem Statement.“ Äußerst schnelle, nur Femtosekunden (10-15 oder 0,000 000 000 000 001 Sekunden, eine Billiardstel Sekunde) dauernde Laserimpulse nehmen Rekordschnellschüsse von PSII-Kristallen auf, bevor sie im Röntgenstrahl esplodieren, ein ‚diffraction before destruction‘ (Beugung vor Zerstörung) genanntes Prinzip.“

Details über die Entwicklung derelektronischen Konfigurationen gefragt

Während die Röntgen-Kristallographie Strukturänderungen offenbart, zeigt sie keine Details dessen, wie sich die elektronischen Konfigurationen im Laufe der Zeit entwickeln; hier setzte die Arbeit des Purdue-Teams an. Das Purdue-Team ahmte die Bedingungen des seriellen Femtosekunden-Kristallographie-Experiments nach, verwendete aber Elektronen-Parakernspinresonanz, um die elektronischen Konfigurationen der Moleküle offen zu legen, sagte Pushkar.

„Die elektronischen Konfigurationen werden dazu verwendet, um zu bestätigen, in welcher Phase des Prozesses sich Photosystem II zu einer gegebenen Zeit gerade befindet,“ sagte sie. „Diese Information ist so etwas wie eine Zeitmarke und ohne sie wäre das Team nicht in der Lage gewesen, die Strukturänderungen in einen Zusammenhang zu stellen.“

Autorin: Elizabeth Gardner, ekgardner[at]purdue.edu; Übersetzung: Gerhard Hofmann

Quellen:

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