Fotosynthese werkt met ventielen

01 december 2009

Fotosynthese is de oorsprong van het leven op aarde, maar ook nog grotendeels onbegrepen. Neem bijvoorbeeld het geweldig efficiënte mechanisme van het elektronentransport. Leidse onderzoekers laten voor het eerst zien waar een oorzaak hiervan te vinden is.

Schematische weergave van het proces fotosynthese. Het zuurstof is restproduct van de lichtreacties en wordt verder niet meer gebruikt. Elektrische energie uit de lichtreacties wordt omgezet in de energiedragende stoffen ATP en NADPH (chemische energie) die op hun beurt gebruikt worden in de donkerreacties (calvin cycle).

NAS

In de early edition van het tijdschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) beschrijven de onderzoekers van het Leiden Institute of Chemistry (LIC), het Leiden Institute of Physics (LION) en een onderzoeker van de ETH Zürich de elektronische structuur van een eiwit dat betrokken is bij fotosynthese. Het is gelukt om dat voor het eerst op het niveau van atomen te doen met een door henzelf ontwikkelde methode.

Fotolyse

Fotosynthese bestaat uit twee delen: de licht- en donkerreacties. Eerst wordt bij de lichtreacties in membranen water gesplitst in elektronen, protonen en zuurstof en zetten chlorofylmoleculen lichtdeeltjes om in elektronen. De elektronen en protonen worden vervolgens naar een reactiecentrum getransporteerd, waar ze worden omgezet in chemische energie. Deze energie wordt dan bij de donkerreacties gebruikt om glucose te vormen uit kooldioxide.

Elektronenpomp

Fotosynthese is scheikundig gezien een raar proces, want de richting van de reactie zou juist omgekeerd moeten zijn. Om de reactie toch te laten plaatsvinden is een sterke stroombron nodig, zodat de elektronen de goede kant op geduwd worden. Planten en bacteriën hebben blijkbaar zo’n krachtige elektronenpomp, die bovendien verbazingwekkend efficiënt is. Maar hoe die werkt is al jaren de grote vraag.

Inzoomen

Hartmund Michel zette ooit een eerste grote stap naar begrip. Hij legde voor het eerst de structuur van een eiwit in een fotosynthetisch membraan bloot met röntgenstraling, iets waarvoor hij in 1986 de Nobelprijs voor de scheikunde kreeg. Nu eenmaal de structuur helder was, moest de werking nog begrepen worden. Dat lukte wetenschappers aardig, zij het tot op moleculair niveau. De Leidse onderzoekers hebben nu voor het eerst kunnen inzoomen op atomair niveau. Ze gebruikten een nieuwe spectroscopische methode, laser-flash photo-CIDNP MAS NMR genaamd.

Promovendus Eugenio Daviso, hoofdauteur van het PNAS-artikel, heeft de spectrometer opgericht. ‘We hebben hiermee resultaten van oudere technieken kunnen reproduceren en bovendien nieuwe inzichten gekregen in fotosynthese.’ Ook Jörg Matysik, zijn begeleider, is enthousiast. ‘Er is niemand anders in de hele wereld die dit doet. Het is analystisch gezien een enorme stap voorwaarts.’

Ventiel

Dankzij deze spectrometer kon Daviso voor het eerst duidelijk zien waarom het elektronentransport één kant op gaat. ‘We zagen dat als een elektron eenmaal door het eiwit heen is, het eiwit zodanig verandert dat de terugweg voor het elektron geblokkeerd wordt’, legt Matysik uit. ‘Het werkt net als een ventiel van een band, waar de lucht wel naar binnen kan, maar niet meer naar buiten. Je snapt dat dit de efficiëntie enorm kan verhogen, als elk elektron ook daadwerkelijk de goede kant op getransporteerd wordt. In kunstmatige systemen gaat elektronenverkeer vaak beide kanten op, zodat nooit zo’n hoge efficiëntie gehaald wordt. Het was heel verrassend dat Eugenio dit zo duidelijk kon zien. Dat was nog niemand gelukt.’

Laserpulsjes

De ontwikkeling van de nieuwe spectrometer is de hoeksteen van Matysik’s Vidi-project dat dit jaar eindigde. Het hart van de methode is NMR, Nuclear Magnetic Resonance, kernspinresonantie. Hierbij wordt het fotosynthese-eiwit in een magneet gekoeld tot -60 graden Celcius, en worden vervolgens de atoomkernen in het eiwit door korte laserpulsjes ‘aangeslagen’. De kernen zullen onder uitzenden van een signaal weer terugvallen naar hun eerdere toestand. Daviso ving de kernsignalen op en kon hiermee de elektronische structuur van het eiwit vastleggen, tot op het niveau van atomen.

Structuur van een eiwit dat is betrokken bij fotosynthese. De P in het plaatje duidt het chlorofylmolecuul aan waar lichtdeeltjes omgezet worden in elektronen. Car en Phi duiden respectievelijk een carotenidemolecuul en pheophytinemolecuul aan die bij het transport van de elektronen een rol spelen.

Drijfveer

De methode heeft Daviso naast zijn eerst PNAS-artikel ook al een aantal prijzen opgeleverd, waaronder de gerenommeerde Magnetic Resonance in Chemistry Award for Young Scientists 2008. In zijn zoektocht naar de ultieme methode kon hij op veel hulp rekenen van collega’s en experts van elektronexperimenten. Maar ook zijn eigen enthousiasme was een belangrijke drijfveer. ‘Op mijn twaalfde wist ik al dat ik onderzoek wilde gaan doen aan fotosynthese. Toen hoorde ik er voor het eerst over, en direct fascineerde het me enorm hoe goed de natuur werkt.’