加利福尼亚州门洛帕克 光合作用在塑造和维持地球上的生命方面起着至关重要的作用，但这个过程的许多方面仍然是个谜。其中一个谜团是光系统II，一种植物，藻类和蓝藻中的蛋白质复合物，如何从阳光中收集能量并用它来分解水，产生我们呼吸的氧气。现在，来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速器实验室的研究人员，以及乌普萨拉大学和洪堡大学以及其他机构的合作者，成功地破解了光系统II的关键秘密。
使用SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)和日本的SPring-8埃紧凑自由电子LAsser(SACLA)，他们首次以原子细节捕捉了在释放可呼吸氧气的最后时刻发生的事情。数据揭示了以前从未观察到的中间反应步骤。
今天发表在《自然》杂志上的研究结果揭示了大自然如何优化光合作用，并帮助科学家开发模拟光合作用的人工光合作用系统，以收集自然阳光，将二氧化碳转化为氢和碳基燃料。
“我们对大自然如何做到这一点了解得越多，我们就越接近在人造过程中使用相同的原理，包括人工光合作用作为清洁和可持续能源的想法，”共同作者，伯克利实验室的科学家Jan Kern说。
伯克利实验室的共同作者Junko Yano说：“Photosystem II为我们提供了如何优化清洁能源的蓝图，避免了破坏系统的死胡同和危险的副产品。我们曾经认为只是基础科学的东西可以成为改进我们能源技术的有前途的途径。
底座装载
在光合作用过程中，光系统II的氧气演化中心(由四个锰原子和一个由氧原子连接的钙原子组成的簇)促进了一系列具有挑战性的化学反应，这些化学反应的作用是分裂水分子以释放分子氧。
中心循环经历四种稳定的氧化态，称为S。0通过 S3，当暴露在阳光下时。在棒球场上，S0当主场的球员准备去击球时，将是比赛的开始。S1-S3将是第一、第二和第三的玩家。每当击球手与球连接，或者复合体吸收阳光光子时，场上的球员就会前进一个垒。当第四个球被击中时，球员滑入主场，得分，或者在光系统II的情况下，释放一个可呼吸的氧气分子。
在他们的实验中，研究人员通过用光学光激发蓝藻样品，然后用LCLS和SACLA的超快X射线脉冲探测它们来探测这个中心。这些数据揭示了团簇的原子结构及其周围的化学过程。
本垒打
使用这种技术，科学家们首次对回家的疯狂冲刺进行了成像 - 瞬态或S4，其中两个氧原子键在一起并释放出一个氧分子。数据显示，这种反应中还有其他以前从未见过的步骤。
“其他专家认为，这是永远无法捕获的东西，”共同作者，威斯康星大学麦迪逊分校的科学家兼教授Uwe Bergmann说。“这真的会改变我们对Photosystem II的看法。虽然我们不能说我们有一个基于数据的独特机制，但我们可以排除人们在过去几十年中提出的一些模型和想法。这是有史以来最接近捕捉最后一步并展示这个过程如何与实际结构数据一起工作的人。
这项新研究是该团队在过去十年中进行的一系列研究中的最新一项。早期的工作重点是观察光合作用循环在自然界中发生的温度下的各个步骤。
“产生可呼吸氧气的大部分过程都发生在最后一步，”共同作者，伯克利实验室的科学家Vittal Yachandra说，“但是在光系统II的不同部分发生了几件事，它们最终都必须聚集在一起才能使反应成功。就像在棒球中，球的位置以及垒手和外野手的位置等因素会影响球员到达大本垒的动作一样，催化中心周围的蛋白质环境会影响这种反应的发挥。
更明亮的 X 射线，更光明的未来
基于这些结果，研究人员计划进行实验，旨在捕获该过程的更多快照。
“中间仍然有一些事情发生，我们还无法抓住，”克恩说。“我们真的想拍摄更多快照，以弥合剩余的差距并讲述整个故事。
为此，他们需要进一步提高数据质量。过去，这些类型的测量被证明具有挑战性，因为来自样品的X射线信号很微弱，并且LCLS和SACLA等现有X射线激光器产生X射线脉冲的速率太小。
“优化设置需要相当多的努力，所以我们无法在单个实验中收集这一次出版物所需的所有数据，”合著者和SLAC科学家Roberto Alonso-Mori说。“这些结果实际上包括六年多的数据。
当LCLS升级(称为LCLS-II)在今年晚些时候上线时，重复率将从每秒120个脉冲飙升至每秒一百万个脉冲。
“通过这些升级，我们将能够在短短几个小时内收集几天的数据，”伯格曼说。“我们还将能够使用软X射线来进一步了解系统中发生的化学变化。这些新功能将继续推动这项研究向前发展，并为光合作用提供新的线索。
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