{"id":21413,"date":"2014-07-14T02:04:14","date_gmt":"2014-07-14T00:04:14","guid":{"rendered":"http:\/\/www.biotechnologie.de\/BIO\/Navigation\/DE\/root,did=173868.html"},"modified":"2014-07-13T15:06:24","modified_gmt":"2014-07-13T13:06:24","slug":"forscher-beobachten-photosynthese-aktion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/forscher-beobachten-photosynthese-aktion\/","title":{"rendered":"Forscher beobachten Photosynthese in Aktion"},"content":{"rendered":"

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY hat einen zentralen Schritt der Photosynthese erstmals in Aktion festgehalten. Die Gruppe unter Leitung von Prof. Petra Fromme von der Arizona State University nutzte den weltweit st\u00e4rksten R\u00f6ntgenlaser am US-Beschleunigerzentrum SLAC, um Standbilder eines Molek\u00fclkomplexes namens Photosystem II aufzunehmen. Das Photosystem II spaltet unter Einfluss von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess liefert den Sauerstoff in der Erdatmosph\u00e4re. Die Wissenschaftler pr\u00e4sentieren ihre Beobachtungen in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals “Nature”.<\/strong><\/p>\n

\u201eDies ist die erste Szene eines molekularen Films, der die lichtgesteuerte Spaltung von Wasser im Photosystem II zeigt und damit jenen Prozess, der s\u00e4mtlichen Sauerstoff in der Atmosph\u00e4re erzeugt”, betont Fromme. Die Beobachtung zeigt mit molekularer Detailgenauigkeit, wie das Photosystem II in diesem Prozess seine Form deutlich ver\u00e4ndert. \u201eEin tieferes Verst\u00e4ndnis der Photosynthese k\u00f6nnte beispielsweise der Entwicklung besserer Solarzellen dienen und vielleicht die Suche nach dem ‘Heiligen Gral’ der Biochemie, der k\u00fcnstlichen Photosynthese, voranbringen”, erl\u00e4utert DESY-Forscher und Ko-Autor Prof. Henry Chapman vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL, einer Kooperation von DESY, Universit\u00e4t Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft.<\/p>\n

\u201eWir wissen, dass der Prozess der Wasserspaltung in vier Schritte unterteilt ist. Aber bislang hat niemand diese vier Schritte wirklich gesehen”, erl\u00e4utert Chapman, der auch Professor an der Universit\u00e4t Hamburg und Mitglied des Hamburger Center for Ultrafast Imaging CUI ist.<\/p>\n

F\u00fcr ihre Untersuchung z\u00fcchteten die Forscher winzige Nano-Kristalle des Photosystems II von sogenannten Cyanobakterien (“Blaualgen”) namens Thermosynechococcus elongatus<\/em>, die Photosynthese betreiben. Diese Kristalle beleuchteten sie mit einem Laser im Wellenl\u00e4ngenbereich des sichtbaren Lichts, um die Wasserspaltung zu starten, die sonst von Sonnenlicht angetrieben wird. Mit Hilfe von Doppelblitzen l\u00f6sten die Wissenschaftler den \u00dcbergang vom Zustand S1 zum Zustand S3 aus, da bei diesem \u00dcbergang die gr\u00f6\u00dfte Dynamik zu erwarten war.<\/p>\n

Mit den kurzen und intensiven Blitzen des SLAC-R\u00f6ntgenlasers LCLS (Linac Coherent Light Source) konnten die Forscher beobachten, wie sich die molekulare Struktur des Photosystems II in diesem Prozess ver\u00e4nderte. Die LCLS erm\u00f6glichte dabei eine Belichtungszeit von lediglich 30 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) – kurz genug um den Prozess der Wasserspaltung in unterschiedlichen Phasen einzufrieren. \u201eDie deutliche Form\u00e4nderung, die wir beobachten konnten, hat uns \u00fcberrascht”, berichtet Fromme. \u201eSie ist so stark, dass sie zu einer \u00c4nderung der gesamten Struktur f\u00fchrt, sogar die Ausma\u00dfe der sogenannten Einheitszelle, der kleinsten Baueinheit eines Kristalls, \u00e4ndern sich.”<\/p>\n

Die Spaltung von Wasser ist ein sogenannter katalytischer Prozess, bei dem das Photosystem II die Reaktion erm\u00f6glicht, ohne dabei verbraucht zu werden. Katalytische Reaktionen spielen in vielen Bereichen der Chemie eine bedeutende Rolle. \u201eDie Technik, die wir benutzt haben, hat sehr gro\u00dfes Potenzial – nicht nur f\u00fcr die Photosynthese, sondern f\u00fcr die Untersuchung von Katalyse allgemein”, betont Fromme. \u201eWenn man alle Stufen einer katalytischen Reaktion beobachten kann, ist man in der Lage, sie zu optimieren.”<\/p>\n

\u201eUnsere Studie zeigt auch, dass sich mit sogenannten Freie-Elektronen-R\u00f6ntgenlasern wie der LCLS Filme biochemischer Prozesse mit molekularer Aufl\u00f6sung aufnehmen lassen”, sagt Chapman. Zu diesem Zweck l\u00f6sen die Forscher eine Reaktion viele Male aus und beobachten ihren Ablauf mit exakt verz\u00f6gerten R\u00f6ntgenblitzen zu verschiedenen Zeiten. So entsteht eine Folge von Standbildern, die sich zu einem Film mit molekularer Aufl\u00f6sung kombinieren lassen. \u201eSo ein Film kann die ultraschnellen Abl\u00e4ufe chemischer Reaktionen enth\u00fcllen”, unterstreicht Chapman. \u201eAllerdings m\u00fcssen wir eine noch h\u00f6here Aufl\u00f6sung erreichen.”<\/p>\n

Freie-Elektronen-R\u00f6ntgenlaser (XFEL) sind neuartige Forschungslichtquellen, die von gro\u00dfen Teilchenbeschleunigern angetrieben werden. Frei fliegende, energiereiche Elektronen aus einem Linearbeschleuniger werden dazu mit starken Magneten auf einen engen Slalomkurs gezwungen. In jeder Kurve geben die Teilchen Licht ab, das sich zu einem intensiven, laserartigen Blitz verst\u00e4rkt. Der modernste Freie-Elektronen-R\u00f6ntgenlaser, der European XFEL, entsteht derzeit in internationaler Kooperation vom DESY-Campus in Hamburg-Bahrenfeld bis zur benachbarten Stadt Schenefeld in Schleswig-Holstein.<\/p>\n

Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n

\u201eSerial Time-resolved crystallography of Photosystem II using a femtosecond X-ray laser”; Christopher Kupitz, Shibom Basu et al.; “Nature”, 2014; DOI: 10.1038\/nature13453<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Strukturbiologen haben erstmals per Röntgenlaser einen Schlüsselprozess der Photosynthese sichtbar …<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[],"supplier":[541,7565,7241,621,6679,1195],"class_list":["post-21413","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","supplier-arizona-state-university","supplier-center-for-free-electron-laser-science","supplier-deutsches-elektronen-synchrotron-desy","supplier-max-planck-gesellschaft","supplier-slac-national-accelerator-laboratory","supplier-universitaet-hamburg"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/21413","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=21413"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/21413\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=21413"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=21413"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=21413"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=21413"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}