Umeås kryo-elektronmikroskop visar fotosyntesen i detalj

2021-09-07 15:50  

Teamet utgick från backtrav – världens mest undersökta växt. Nu har Umeå universitet fått fram en högupplöst bild av fotosyntesens centrala komplex, kallat fotosystem II. ”Det är som att simma in i en jättemolekyl”, säger professor Wolfgang Schröder.

Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson, som utvecklade kryoelektronmikroskopi tilldelades Nobelpriset i kemi 2017. Då hade Science for Life Laboratory i Solna respektive Umeå universitet redan köpt in varsitt kryo-elektronmikroskop.

Tekniken gör det möjligt att få fram 3d-bilder av molekyler i mycket hög upplösning, och nu har forskare vid Umeå universitet lyckats ta en högupplöst bild av fotosyntesens centrala komplex, kallat fotosystem II.

Studien, som är publicerad i Scientific Reports, har letts av Wolfgang Schröder, professor på Kemiska institutionen vid Umeå universitet. Han har arbetat i 38 år med att undersöka vilka proteiner som sitter i det mycket stora komplex där fotosyntesen sker, och tidigare var forskare hänvisade till biokemiska metoder.

– Det hade jag aldrig trott, att man skulle kunna sitta och titta på var vattenmolekylerna sitter i den här strukturen. Jag vågar nästan inte tro att det är sant. Jag är en naiv optimist, men jag hade aldrig kunnat tänka mig att få en sådan upplösning. När jag började så tänkte jag att, “då kan vi åtminstone titta på hur klorofyllmolekylerna sitter”. Men det visade ju sig att vi kunde se mycket mer detaljer än så, säger Wolfgang Schröder till ny Teknik.

Världens mest undersökta växt

Nu fryser man proverna blixtsnabbt genom att de skjuts ner i flytande etan, med en temperatur på 180 minusgrader. Med utgångspunkt från uppemot 100 000 tvådimensionella elektronmikroskopbilder av de slumpmässigt frysta partiklarna sätter stora datorprogram sedan ihop en 3d-struktur.

Tidigare har metoden använts för att ta fram liknande strukturer från spenat och ärta, och de två har samma upplösning som Umeå-forskarnas struktur från ogräset backtrav. Men det finns en stor styrka med att Wolfgangs team har utgått från världens mest undersökta växt – redan år 2000 lyckades forskare sekvensera alla gener hos Arabidopsis.

– I och med att det finns information om alla gener i Arabidopsis så vet vi vilka aminosyror som ingår. Då kan vi med mycket högre säkerhet och precision bestämma strukturen, säger han.

Fotosystem II-komplexet innehåller nära 30 olika proteiner och en rad kofaktorer som pigment och metaller. Den struktur som forskarna har fått fram levererar detaljerad information om kofaktorernas bindningar.

Teamet kan också visa exakt var och hur detergenter binder och påverkar komplexets stabilitet. Detergenter är tvättmedelsliknande molekyler med långa hydrofoba delar som genom att de stöter bort vatten kan kila sig in mellan proteiner, men även gå in i proteinerna och bända isär dem. Detergenterna agerar också som en ersättare för växtens naturliga membran och håller komplexet flytande.

”Byts ut ungefär var tjugonde minut”

Enligt Wolfgang är nästa steg att titta på den metod som fotosyntes II har utvecklat för att hantera kasten mellan en extrem ljusintensitet till nästan mörker, exempelvis när ett moln passerar. Förhållandet kan skifta på några sekunder och regleringen sker på molekylnivå.

– Ett av de här proteinerna i centrum heter D1. Det byts ut ungefär var tjugonde minut, på grund av att solen bränner sönder det. Och det vi vill titta på  är hur det här utbytet sker, för det är en dynamisk process. När ett protein går sönder så plockas det ut och skickas iväg för nedbrytning. Sedan ska det komma fram ett nytt och det ska byggas in i komplexet. Det här proteinet sitter i mitten av komplexet, och det är ju knasigt – för det är ju som att placera ett bildäck mitt under bilen. Hur ska man byta det på ett enkelt sätt? Jag vet inte varför naturen har gjort så, och vi funderar mycket på det här, säger Wolfgang Schröder.

Nu tittar hans team på hur komplexet byggs ihop, med förhoppningen om att en dag kunna ta fram växter som klarar en hög ljusintensitet med snabba variationer. För med framtidens extremväder förutspår professorn att vi också får fler och snabbare kast i ljusintensiteter.

John Edgren

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt