تیمی از شیمیدانان تحت رهبری ییل از طرح های اولیه یک آنزیم کلیدی که ممکن است حاوی اصول طراحی نسل جدیدی از کاتالیزورهای سوخت خورشیدی مصنوعی باشد، پرده برداری کرده اند.
این تحقیق که توسط گری برودویگ و کریستوفر گیسریل از دانشگاه ییل انجام شد، از میکروسکوپ الکترونی کرایو بر روی میکروارگانیسمی به نام Synechocystis استفاده کرد تا تصویری نزدیک از Photosystem II، آنزیمی در فتوسنتز که از آب به عنوان سوخت خورشیدی استفاده می کند، به دست آورد و محققان را قادر به مشاهده کرد.
نحوه عملکرد آنزیم
این مطالعه که در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است، توسط محققان دانشگاه کالیفرنیا-ریورساید، کالج بوستون و دانشگاه سیتی نیویورک انجام شده است.
فتوسنتز مکانیسمی است که بوسیله آن گیاهان و میکروارگانیسم های خاصی مانند Synechocystis از نور خورشید برای سنتز غذا از دی اکسید کربن و آب استفاده می کنند و جو را با اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی پر می کنند. در قلب فتوسنتز Photosystem II قرار دارد، آنزیمی که مولکول‌های آب را اکسید می‌کند و الکترون‌های آن‌ها را می‌گیرد تا به عنوان سوخت استفاده شود.
دانشمندان مدت‌هاست که با مطالعه Photosystem II از Synechocystis، به دنبال راه‌هایی برای تقلید از این فرآیند برای ایجاد کاتالیزورهای سوخت خورشیدی کارآمدتر بوده‌اند. اما بدون تصویر واضحی از ساختار مولکولی Photosystem II در Synechocystis، درک نتایج آزمایش‌هایشان برای دانشمندان چالش برانگیز بوده است.
کار قبلی به رهبری Yale یک عکس فوری از Photosytem II از Synechocystis در مرحله “نابالغ” ایجاد کرد، قبل از اینکه آنزیم قادر به اکسیداسیون آب باشد. این کار به محققان اجازه داد تا درک بهتری از نحوه ساخت آنزیم داشته باشند.
در مطالعه جدید، محققان توانستند آنزیم Synechocystis را به شکل بالغ و فعال آن، با تمام زیرواحدهای پروتئینی و فعالیتی که در طول اکسیداسیون آب وجود دارد، ببینند. این مشاهدات که توسط فناوری میکروسکوپ کرایو الکترونی در پردیس غربی Yale امکان‌پذیر شد، یکی از نزدیک‌ترین و دقیق‌ترین نگاه‌هایی را که تاکنون برای Photosystem II در Synechocystis انجام شده است، ارائه می‌کند.
برودویگ، پروفسور بنجامین سیلیمن، استاد شیمی در دانشکده علوم و هنر و کارگردان، گفت: «در این وضوح، ما می‌توانیم اسیدهای آمینه، کوفاکتورهای مولکولی کوچک و مولکول‌های آب را ببینیم که در مکانیسم اکسیداسیون آب استفاده می‌شوند. از موسسه علوم انرژی در پردیس غربی ییل. برودویگ نویسنده مسئول این مطالعه است.
برودویگ افزود: «در برخی موارد، ما حتی می‌توانیم سهم تک تک پروتون‌ها را ببینیم.
با این نمای جدید و نزدیک از Photosystem II از Synechocystis، محققان می‌گویند که می‌توانند تغییرات کوچکی را در آنزیم ایجاد کنند – مانند جهش اسیدهای آمینه فردی – تا ببینند این تغییرات چگونه بر عملکرد آنزیم تأثیر می‌گذارد.
گیسریل، دانشیار فوق دکتری در شیمی و نویسنده اول این مطالعه، گفت: “هدف اصلی درک شیمی اکسیداسیون آب است.” کاری که ما در اینجا انجام داده‌ایم بستری را فراهم می‌کند که از آن می‌توانیم سیستم را تجزیه کنیم و اصول طراحی کاتالیزورهای سوخت خورشیدی مصنوعی را ارائه کنیم.»
مرجع: “ساختار میکروسکوپ کریو الکترونی با وضوح بالا فتوسیستم II از سیانوباکتری مزوفیل، Synechocystis sp. PCC 6803 اینچ توسط کریستوفر جی. گیسریل، جیمین وانگ، جینچان لیو، دیوید آ. فلشر، کریستل ام. ریس، هائو لی هوانگ، که آر. یانگ، ویلیام اچ آرمسترانگ، ام آر گانر، ویکتور اس. باتیستا، ریچارد جی دبوس و گری دبلیو برودویگ، 22 دسامبر 2021، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم.
DOI: 10.1073/pnas.2116765118
نویسندگان مشترک این مطالعه از دانشگاه ییل عبارتند از جیمین وانگ، جینچان لیو، دیوید فلشر، کریستل ریس، هائو لی هوانگ، که یانگ و ویکتور باتیستا. ویلیام آرمسترانگ از کالج بوستون، M.R. Gunner از سیتی کالج نیویورک و ریچارد دبوس از دانشگاه کالیفرنیا-ریورساید از دیگر نویسندگان همکار هستند.
دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده و مؤسسه ملی بهداشت بودجه این تحقیق را تأمین کردند.
