作者:阿里·桑德尔米尔，SLAC国家加速器实验室 一项新技术使科学家能够绘制光系统二的氧释放复合体中电子流的地图
最终的目标是组装一个整个过程的原子电影，包括难以捉摸的将两个水分子中的氧原子结合成氧分子的瞬态
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 光系统二是植物、藻类和蓝细菌中的一种蛋白质复合物，负责分解水并产生我们呼吸的氧气
在过去的几年里，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室、美国国家加速器实验室和其他几个机构的科学家进行了一项国际合作，能够在自然界发生的温度下观察到这种水分裂循环的各个步骤
现在，研究小组已经用同样的方法瞄准了一个关键步骤，即水分子进入催化复合体，桥接锰和钙原子，催化复合体分解水产生可呼吸的氧气
他们的研究使他们离获得这一自然过程的完整图像更近了一步，这将为下一代人工光合作用系统提供信息，这些系统从阳光和水中产生清洁和可再生的能源
他们的结果发表在今天的《美国国家科学院院刊》上
“我们证明了在这项工作的先前迭代中进行这些测量是可能的，但是我们从来没有空间分辨率或足够的时间点来真正深入这些更精细的细节，”合著者之一，SLAC大学杰出的职员科学家乌韦·博格曼说
“经过多年仔细优化这个实验，我们磨练了我们以足够高的质量进行测量的能力，第一次看到了这些微小的变化
" 水桶大队 在光合作用过程中，由四个锰原子和一个由氧原子连接的钙原子组成的放氧复合体，在暴露于阳光下时，循环通过四个稳定的氧化态，称为S0到S3
在棒球场上，当主场球员准备击球时，S0将是比赛的开始
S1-S3将会是第一、第二和第三名
每当击球手与球相连，或者复合体吸收了太阳光，场上的球员就前进一垒
当第四个球被击中时，球员滑入本垒，得分，或者在光系统二的情况下，释放可呼吸的氧气
这项研究的重点是从S2到S3的转变，这是氧分子产生之前最后一个稳定的中间状态
释氧复合体被水和蛋白质包围
在科学家们观察的步骤中，水通过一条路径流入复合体，在那里一个水分子最终在锰原子和钙原子之间形成一座桥梁
这个水分子可能提供了循环结束时产生的氧分子中的一个氧原子
使用SLAC的直线加速器相干光源(LCLS) X光激光，研究人员发现水分子像通过水桶一样被运送到复合体中:它们从路径的一端到另一端以许多小步移动
他们还表明复合物中的钙原子可能参与了水的穿梭
“这就像一个牛顿的摇篮，”这项研究的作者之一、伯克利实验室的高级科学家维塔尔·亚钱德拉说，他从事光系统二的研究已经超过35年了
“通常在液态水中，东西会不断地移动，但现在我们处于这种令人着迷的情况，锰簇周围的一些水分子会改变它们的位置，而其他的水分子实际上总是在同一个地方
你可以重复这个实验10000次，他们仍然会坐在同一个地方
" 在光系统二中，分水中心循环通过四个稳定状态，S0-S3
在棒球场上，当本垒上的击球手准备击球时，S0将是比赛的开始
S1-S3将会是第一，第二和第三名的候补球员
每当中心吸收一个太阳光光子时，它就会被提升到下一个状态，就像一个球员在球场上每次击球手与球连接时都会前进一个垒一样
当第四个球被击中时，球员滑入本垒，得分，或者，在光系统二的情况下，释放我们呼吸的氧气
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 协同工作 在LCLS，研究小组用超快脉冲X射线照射蓝藻样本，收集X射线晶体学和光谱学数据，以绘制电子在光系统二的氧释放复合体中的流动
通过这种技术，他们能够同时绘制其结构图，并揭示锰团簇化学过程的信息
此前，研究人员使用这种技术来确保样本完好无损，重要的是，还处于正确的中间化学状态
这篇论文标志着研究人员第一次能够将这两组信息结合起来，以了解结构和化学变化之间的联系
这使得研究人员能够实时观察这些步骤是如何展开的，并了解反应的新情况
“看到光吸收引起的变化的‘因果’是令人兴奋的，”亚钱德拉说
该研究的作者之一、伯克利实验室的高级科学家Junko Yano说:“很容易忘记环境有多重要，以及它是如何实现这些非常复杂的过程的。”
“生活不是在真空中发生的；所有组件必须协同工作，使反应成为可能
这些结果向我们展示了催化簇周围的蛋白质和水分子是如何协同工作来制造氧气的
我们的结果将开启一种新的思维方式，并激发新的问题
" 准备，准备，行动！ Yano说，除了光合作用之外，这项技术还可以应用于其他酶系统，对催化反应进行更详细的快照
“它让我们能够将系统的结构生物学和化学联系起来，以理解和控制复杂的化学反应，”她说
该项目的最终目标是利用整个过程中拍摄的许多快照拼凑出一部原子电影，包括结尾难以捉摸的瞬态，该瞬态将两个水分子中的两个氧原子结合起来形成氧分子
“我们的梦想是绕过整个反应周期，获得足够的时间点和细节，让你看到整个过程的展开，从第一个光子进入到第一个可呼吸的氧气分子出来，”合著者之一、伯克利实验室的工作人员科学家简·科恩说
“我们一直在为这部电影搭建布景，确立我们的技术，展示一切可能
现在摄像机终于开动了，我们可以开始拍摄这部电影了
"
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