«Эффективный метод солнечного разделения воды важен для искусственного фотосинтеза, чтобы иметь успех, но развитие такого метода оказалось неуловимым», говорит Витталь Ячандра, химик с Физическим Подразделением Биологических наук Berkeley Lab и одним из лидеров этого исследования. «Используя импульсы рентгена фемтосекунды для одновременной коллекции и дифракции рентгена (XRD) и данных о спектроскопии эмиссии рентгена (XES) при комнатной температуре, мы обошли каталитический цикл с четырьмя шагами фотосинтетического водного окисления в фотосистеме II. Это представляет важный шаг вперед к оперативной характеристике формирования кислородной молекулы в фотосистеме II и привело к информации, которая должна оказаться полезной для проектирования искусственных основанных на солнечной энергии устройств, чтобы разделить воду».Фотоокисление воды фотосистемой II ответственно за большую часть кислорода в атмосфере Земли.
В ядре фотосистемы II марганцевый кальций (Mn4Ca) metalloenzyme комплекс, который, когда возбуждено солнечными фотонами катализирует четыре цикла шага фотона степеней окисления (S0-to-S3), который в конечном счете приводит к молекулярному кислороду. Ученые должны наблюдать неповрежденную кристаллографию рентгена иона Mn4Ca в действии, но молекула очень чувствительна к радиации. LCLS – единственный в мире источник рентгена, способного к обеспечению импульсов фемтосекунды в высокой интенсивности, которая позволяет неповрежденной фотосистеме II кристаллов, чтобы быть изображенной, прежде чем они будут разрушены воздействием лучей рентгена.
«В более раннем исследовании в LCLS мы сообщили об объединенном XRD и данных XES из фотосистемы, II образцов в темном штате S1 и одной видимой вспышке осветили S2 государство (с 1 вспышкой)», говорит Юнко Яно, химик также с Физическим Подразделением Биологических наук Berkeley Lab и также лидером этого исследования. «В этом новом исследовании мы сообщаем о данных из S3 (с 2 вспышками) и S0 государства (с 3 вспышками), которые являются промежуточными состояниями непосредственно прежде и после эволюции кислородной молекулы. Кроме того, мы сообщаем о данных впервые из вызванного светом переходного состояния между государствами S3 и S0, которое открывает окно для объяснения механизма формирования связи кислородного кислорода, которое происходит между этими двумя государствами».Данные XRD всех государств вспышки учились, показал аномальный сигнал дифракции от Mn, который не осложнен сигналами от полной матрицы белка углерода, азота, кислорода и других металлов, или даже атомом CA, который является частью пяти комплексов атома Mn4Ca metalloenzyme.«Обнаружение этого аномального рассеивания Mn сигнализирует не, только утверждает качество наших данных, но также и процедуры, используемые для анализа данных», говорит вычислительный ученый Николас Сотер.
Сотер и Пол Адамс, и с Физическим Подразделением Биологических наук Berkeley Lab и с обоими факторами этого исследования, прилагают усилия, чтобы разработать новые и лучшие методы для анализа данных из LCLS.Ячандра и Яно полагают, что обнаружение аномального сигнала рассеивания Mn открывает возможность для обнаружения изменений, принадлежащих только группе Mn, когда это продвигается через циклы S-государства и формирование связи кислородного кислорода, которое является, где каталитическое действие происходит.
«Знание, как это происходит, важно для понимания принципов разработки, используемых в естественном фотосинтезе», говорит Ячандра.