Fotosentezle ilgili onlarca yıllık gizem sonunda çözüldü

İki araştırma ekibi, bitkilerin, alglerin ve bazı bakterilerin büyümek için ihtiyaç duydukları enerjiyi oluşturmak için güneş ışığından yararlandıkları süreç olan fotosentez sırasında oksijenin nasıl oluştuğuna dair mikroskobik ayrıntıları ortaya çıkardı. Fotosentezi bu seviyede anlamak, temiz yakıtların gelişimini ilerletebilir.

Araştırmacılar daha önce, fotosentezi başlatmak için bir bitki içindeki moleküler bir yapıya çarpan sadece dört ardışık ışık parçacığının veya fotonun gerekli olduğunu biliyorlardı. Bu fotonlar manganez, kalsiyum ve oksijen atomlarından oluşan bir küme tarafından emilir ve bunlar daha sonra bitkinin su moleküllerini parçalayarak suda bağlı olan oksijeni serbest bırakır. Ancak dördüncü fotonun bu kümeye çarpmasından sonra tam olarak ne olduğunun ayrıntıları, on yıllardır araştırmacıların gözünden kaçtı. İki deney şimdi bazılarını doldurdu.

Jan Kern Kaliforniya’daki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda ve meslektaşları, yüksek enerjili X-ışınları darbeleri kullanarak fotosentezin mikroskobik ayrıntılarını yakaladılar. Mavi-yeşil alglerden çıkarılan molekül kümelerini bir taşıma bandı üzerinde düzenlediler, böylece ilk olarak onlara suyu ayırmaya başlamak için gereken fotonları veren görünür ışık darbeleriyle aydınlatıldılar. Daha sonra X-ışınları, işlem sırasında atomların düzenini yakaladı.

Dördüncü foton tarafından vurulduktan sonra, Fotosistem II (PSII) olarak bilinen bir protein kompleksi, saniyenin birkaç milyonda biri içinde su moleküllerini parçalar. X-ışınları, suyun ayrılması ile sonunda atmosfere salınabilecek bir tür oksijen molekülünün oluşumu arasındaki zaman gecikmesini gösterecek kadar hızlıydı – ikisi çakışmıyordu. Ancak bu iki adım arasında çekilen X-ışını görüntüleri, oksijen atomlarının tam konfigürasyonunu gösterecek kadar keskin değildi.

Bununla birlikte, PSII moleküllerinin diğer bölümlerinin bu oksijen atomlarının etrafındaki düzenlemesi, oksijenin yeni bir yapı oluşturduğunu gösterdi. Bu aşamada oksijen atomları, suda olduğu gibi hidrojene bağlı değildi veya daha büyük bir oksijen molekülünde bir araya toplanmıştı, ancak muhtemelen kısaca PSII’nin başka bir kısmına bağlıydı. Kern, fotosentetik sürecin bu adımının daha önce sadece teorize edildiğini söylüyor.

Holger Dau Free University of Berlin’de ve meslektaşları da suyu ayırma işleminin son noktasına odaklandılar, ancak elektronların ve protonların atomlar arasında nasıl hareket ettiğini belirlemek için atomların X-ışını görüntülerini almak yerine kızılötesi ışık kullandılar. 40 kilogram taze ıspanaktan PSII çıkardılar ve görünür ışığın fotonlarıyla vurduktan sonra kızılötesi ışıkla aydınlattılar.

PSII kızılötesi radyasyonu emdiğinde, her dalga boyu belirli bir bağın titreşimleriyle ilişkilendirildi. Araştırmacılar bu ölçümleri, fotosentez sırasında elektronların ve protonların nasıl hareket ettiğine dair bilgisayar simülasyonları ile birleştirdiler. Leonardo Guidoni ve ekibi İtalya’daki L’Aquila Üniversitesi’nde. Bu, oksijen atomları ve PSII’nin geri kalanı arasında üç protonun bir elektron için değiştirildiği süreçte çok önemli yeni bir adımı ortaya çıkardı.

Philipp SimonYine Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan bazı X-ışınları anlık görüntülerinin, bu proton hareketinin suyu ayrıştırma işleminin en sonunda iki kez olabileceğini ima ettiğini söylüyor. Her iki ekip de daha hızlı X-ışınları, daha temiz PSII örnekleri ve daha fazla kızılötesi ışık kullanarak gelecekte daha da fazla ayrıntıyı ortaya çıkarmak istiyor. Guidoni, fotosentezi incelemeye yönelik bu yaklaşımların tamamlayıcı olduğunu söylüyor. “Tüm deneylerden ne kadar çok veriye sahip olursak, sürecin her küçük adımını tamamlamaya o kadar yaklaşırız” diyor.

Fotosentez sırasında suyu parçalamayı anlamak, suyu hidrojen yakıtına dönüştüren cihazlar geliştirmek için de önemlidir, diyor. Dimitrios Pantazis Almanya’daki Max Planck Kömür Araştırma Enstitüsü’nde. “Biyolojik sistemi doğrudan kopyalayamayız, ancak suyu bu kadar verimli bir şekilde bölen bildiğimiz tek sistem bu. Bu nedenle, milyarlarca yıl boyunca evrimleşmiş tüm su bölme hilelerini ortaya çıkarmamız gerekiyor” diyor.