Ein Superstar-Enzym ist bereit für seine Nahaufnahme

Diese Abbildung zeigt eine Kryo-EM-„Karte“ des Photosystem-II-Komplexes. Es handelt sich um eine 3D-Rekonstruktion, basierend auf zweidimensionalen Kryo-EM-Bildern, bei der verschiedene Proteinuntereinheiten des Komplexes individuell eingefärbt werden. Bildnachweis: Yale University

Ein von Yale geleitetes Team von Chemikern hat die Blaupausen für ein Schlüsselenzym vorgestellt, das Konstruktionsprinzipien für eine neue Generation synthetischer Solarbrennstoffkatalysatoren enthalten könnte.

Die von Yales Gary Brudvig und Christopher Gisriel geleitete Forschung verwendet Kryo-Elektronenmikroskopie an einem Mikroorganismus namens Synechozystis um eine extreme Nahaufnahme von Photosystem II zu erhalten, dem Enzym in der Photosynthese, das Wasser als Solarbrennstoff verwendet, und ermöglicht es den Forschern, die Funktionsweise des Enzyms zu beobachten.

Die Studie, die in der Zeitschrift erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences, wurde von Forschern der University of California-Riverside, des Boston College und der City University of New York gemeinsam verfasst.

Photosynthese ist der Mechanismus, durch den Pflanzen und bestimmte Mikroorganismen, wie z Synechozystis, nutzen Sonnenlicht, um Nahrung aus Kohlendioxid und Wasser zu synthetisieren – und füllen die Atmosphäre mit Sauerstoff als Nebenprodukt. Das Herzstück der Photosynthese ist Photosystem II, ein Enzym, das Wassermoleküle oxidiert und deren Elektronen entzieht, um sie als Brennstoff zu verwenden.

Wissenschaftler haben lange nach Wegen gesucht, diesen Prozess nachzuahmen, um effizientere Solarbrennstoffkatalysatoren herzustellen, indem sie das Photosystem II von Synechozystis. Aber ohne ein klares Bild der Molekülstruktur von Photosystem II in Synechozystis, war es für Wissenschaftler eine Herausforderung, die Ergebnisse ihrer Experimente zu verstehen.

Frühere Arbeiten unter der Leitung von Yale erstellten einen Schnappschuss von Photosytem II aus Synechozystis in einem „unreifen“ Stadium, bevor das Enzym zur Wasseroxidation fähig war. Diese Arbeit ermöglichte es den Forschern, besser zu verstehen, wie das Enzym aufgebaut ist.

In der neuen Studie konnten die Forscher das Enzym in Synechozystis in seiner reifen, aktiven Form, mit allen Proteinuntereinheiten und Aktivität, die während der Wasseroxidation vorhanden sind. Die Beobachtung, die durch Kryo-Elektronenmikroskopie-Technologie auf dem Westcampus von Yale ermöglicht wurde, bietet einen der genauesten und detailliertesten Looks, die jemals für Photosystem II in Synechozystis.

„Bei dieser Auflösung können wir sehen Aminosäuren, niedermolekulare Cofaktoren und Wassermoleküle, die beim Mechanismus der Wasseroxidation verwendet werden“, sagte Brudvig, Benjamin Silliman Professor für Chemie an der Fakultät für Geisteswissenschaften und Direktor des Energy Sciences Institute auf dem Westcampus von Yale. Brudvig ist der korrespondierende Autor der Studie.

„In einigen Fällen können wir sogar den Beitrag einzelner Protonen sehen“, fügte Brudvig hinzu.

Mit dieser neuen Nahaufnahme von Photosystem II von Synechozystis, sagen die Forscher, dass sie in der Lage sein werden, winzige Veränderungen an dem Enzym vorzunehmen – wie etwa die Mutation einzelner Aminosäuren –, um zu sehen, wie sich diese Veränderungen auf die Funktion des Enzyms auswirken.

„Das Hauptziel besteht darin, die Chemie der Wasseroxidation zu verstehen“, sagte Gisriel, Postdoc in Chemie und Erstautor der Studie. „Was wir hier gemacht haben, bietet eine Plattform, von der aus wir das System dekonstruieren können und die Konstruktionsprinzipien für synthetische Solarkraftstoffkatalysatoren bereitstellen.“

Referenz: „Hochauflösende Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur des Photosystems II aus dem mesophilen Cyanobakterium, Synechozystis sp. PCC 6803″ von Christopher J. Gisriel, Jimin Wang, Jinchan Liu, David A. Flesher, Krystle M. Reiss, Hao-Li Huang, Ke R. Yang, William H. Armstrong, MR Gunner, Victor S. Batista, Richard J Debus und Gary W. Brudvig, 22. Dezember 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2116765118

Co-Autoren der Studie aus Yale sind Jimin Wang, Jinchan Liu, David Flesher, Krystle Reiss, Hao-Li Huang, Ke Yang und Victor Batista. Weitere Co-Autoren sind William Armstrong vom Boston College, MR Gunner vom City College of New York und Richard Debus von der University of California-Riverside.

Das Office of Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums und die National Institutes of Health finanzierten die Forschung.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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