Comprender los mecanismos moleculares que subyacen al fenómeno de la fotosíntesis puede permitir avances significativos en los campos de la biotecnología y las energías renovables. El fotosistema II (PSII), un complejo proteico, juega un papel central en este proceso al catalizar la oxidación del agua y producir dioxígeno utilizando la luz solar, un paso fundamental en la fotosíntesis oxigénica. A pesar de una extensa investigación, la dinámica estructural del PSII durante la reacción de división del agua, especialmente a nivel atómico y en escalas de tiempo cortas, sigue en gran medida inexplorada.
Investigaciones anteriores han proporcionado información valiosa sobre los cambios estructurales que ocurren en el PSII durante la reacción de división del agua, centrándose en escalas de tiempo de microsegundos a milisegundos. Sin embargo, ha faltado información estructural de alta resolución en escalas de tiempo más cortas, particularmente durante las transiciones entre diferentes estados del complejo de evolución de oxígeno (OEC) inducidas por la excitación de la luz, que es esencial para comprender el mecanismo de oxidación del agua y del oxígeno. evolución.
Para abordar esta brecha de investigación, el profesor Michihiro Suga y el profesor Jian-Ren Shen del Instituto de Investigación de Ciencias Interdisciplinarias de la Escuela de Graduados en Medio Ambiente, Vida, Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Okayama en Japón, utilizaron cristalografía de rayos X de femtosegundo en serie con sonda de bomba. (TR-SFX), una técnica conocida por capturar cambios estructurales ultrarrápidos en macromoléculas biológicas con notable precisión espacial y temporal.
Siguiendo protocolos establecidos, los microcristales de PSII se prepararon meticulosamente y se sometieron a uno o dos destellos de luz láser, seguidos de iluminación con pulsos de rayos X de femtosegundos generados por un láser de electrones libres de rayos X (XFEL).
"El proceso de generación de microcristales para el fotosistema II llevó mucho tiempo y duró casi cinco años hasta que se compilaron y publicaron los hallazgos", afirmó el profesor Michihiro Suga.
Al exponer los cristales a destellos láser y capturar patrones de difracción de rayos X en varios retardos de tiempo, los investigadores pudieron rastrear extensamente alteraciones estructurales menores en PSII, que van desde nanosegundos hasta milisegundos de iluminación posterior al destello.
Los hallazgos, publicados en Nature , revelan la intrincada dinámica estructural del PSII durante transiciones cruciales desde el S1 a S2 y S2 a S3 estados para comprender eventos fundamentales como la transferencia de electrones, la liberación de protones y el suministro de agua al sustrato.
Después de exponer los cristales a destellos láser, se observaron rápidas alteraciones estructurales en el residuo de tirosina YZ, lo que sugiere la aparición de procesos rápidos de transferencia de electrones y protones.
Inmediatamente después de dos destellos se encontró una molécula de agua cerca de Glu189 de la subunidad D1, que posteriormente se transfirió a una posición denominada O6 cerca de O5 como se encontró anteriormente, proporcionando información valiosa sobre el origen del átomo de oxígeno incorporado durante la reacción de división del agua. P>
La investigación también aclaró los movimientos concertados de las moléculas de agua dentro de canales específicos, aclarando su papel crucial a la hora de facilitar el suministro de agua al sustrato y la liberación de protones. Estas observaciones arrojan luz sobre la intrincada interacción entre la estructura proteica y las moléculas de agua, destacando su contribución sinérgica a la eficiencia del ciclo catalítico del PSII.
"Los hallazgos de nuestra investigación tienen implicaciones significativas para varios campos, particularmente en el diseño de catalizadores para la fotosíntesis artificial. Al dilucidar los mecanismos moleculares subyacentes a la oxidación del agua en PSII, podemos inspirar el desarrollo de catalizadores sintéticos capaces de aprovechar eficientemente la energía solar a través de medios artificiales. fotosíntesis", explica el profesor Jian-Ren Shen.
Los investigadores dicen que al comprender la dinámica estructural del PSII, también podemos informar estrategias para optimizar los procesos fotosintéticos naturales en los cultivos para mejorar la productividad agrícola y mitigar los efectos del cambio climático. Y agregó que estos hallazgos no solo profundizan nuestra comprensión de los procesos biológicos fundamentales, sino que también son tremendamente prometedores para abordar los desafíos globales apremiantes relacionados con la sostenibilidad energética y la conservación del medio ambiente.
Más información: Hongjie Li et al, Estructuras del fotosistema II que evolucionan oxígeno durante las transiciones S1-S2-S3, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06987-5
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Okayama
