Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Im Brennpunkt der Photosynthese

03.11.2006
Eine internationale Forschergruppe um einen Max-Planck-Wissenschaftler bestimmt Atoman-ordnung im Mangan-Cluster des Photosystems II

Kohle, Erdöl oder Erdgas: In allen fossilen Brennstoffen steckt die Energie des Sonnenlichts - mit Hilfe der Photosynthese wurde sie in energiereichen chemischen Verbindungen gespeichert.


Der Photosystem II Kristall (Bildmitte) ist kleiner als ein Stecknadelkopf. Um ihn besser positi-onieren zu können, bestrahlen die Wissenschaftler ihn mit grünem Licht. Von oben einströ-mendes Helium kühlt ihn auf minus 260 Grad Celsius. Der hochgebündelte und polarisierte Röntgenstrahl trifft von rechts unten auf die Probe. Die Spitze des mit 30 Elementen bestückten EXAFS-Detektors ragt aus dem linken Rand. Bild: Johannes Messinger / MPI für Bioanorganische Chemie


Atomanordnung im Herz des Photosystem II: Zu dem Cluster, an dem Wasser gespalten wird, verbinden sich vier Mangan-, fünf Sauerstoff- und ein Kalziumatom. Letzteres konnten die Forscher um Johannes Messinger noch nicht eindeutig lokalisieren, weshalb es in der Abbildung nicht dargestellt ist. Bild: Johannes Messinger/ MPI für Bioanorganische Chemie

Nun hat ein Forscher des Max-Planck-Instituts für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr gemeinsam mit Kollegen der TU und FU Berlin sowie des Lawrence Berkeley National Laboratory ein wichtiges Detail dieses Prozesses aufgeklärt: Die Wissenschaftler haben die Struktur des Komplexes im Photosystem II bestimmt, an dem mit der Energie des Sonnenlichts Wasser gespalten wird. Dabei entstehen neben molekularem Sauerstoff auch Protonen und chemisch gebundenen Elektronen, die sich im Prinzip zu Wasserstoff vereinigen lassen. Ließe sich dieser Prozess nachahmen, stünde ein unerschöpflicher kohlendioxidfreier Energieträger zur Verfügung. (Science, 3. November 2006).

Die künstliche Photosynthese könnte den Energieträger der Zukunft liefern - Wasserstoff. Doch dazu müssen Forscher vollständig verstehen, wie Pflanzen und photosynthetische Mikroorganismen Wasser mit der Energie des Sonnenlichtes spalten. Nur dann könnten sie diesen Prozess eines Tages nachahmen. Johannes Messinger, Privatdozent und Gruppenleiter am Mülheimer Max-Planck-Institut hat nun gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Athina Zouni an der TU Berlin, der Arbeitsgruppe von Wolfram Saenger an FU Berlin und der Arbeitsgruppe von Vittal K. Yachandra des Lawrence Berkeley National Laboratory einen wichtigen Beitrag dazu geleistet: Die Forscher haben die genaue Struktur des manganhaltigen Teils des Clusters bestimmt, an dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird - dem entscheidenden Schritt der Photosynthese, der sich technisch bislang nicht effizient imitieren lässt.

Für ihre mehrere Jahre dauernde Untersuchungen haben die Wissenschaftler in der internationalen Kooperation die EXAFS-Messmethode (Extended X-ray Absorption Fine Structure) am Synchrotron im amerikanischen Stanford (SSRL) weiterentwickelt, die Art und Entfernung benachbarter Atome exakt bestimmt. So erhielten die Forscher einen Einblick, der den Kristallographen verwehrt blieb. Denn als diese früher versuchten, den Bauplan des Mangan-Clusters mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse zu enthüllen, zerstörten die notwendigen hohen Strahlendosen die Struktur des Clusters [Yano et.al. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 102 (2005) 12047-12052]. Um den Cluster diesmal davor zu bewahren, nutzten die Wissenschaftler die niedrigen Strahlendosen der EXAFS-Methode und tauschten bei ihren Messungen im Synchrotronstrahl die Kristalle nach kurzen Messzeiten immer wieder aus, sodass über die Jahre insgesamt mehr als 100 der in Berlin mühsam erzeugten Photosystem II Einkristalle vermessen wurden.

"Wir haben nun eine strukturelle Grundlage, um die verschiedenen Reaktionsschritte des Prozesses zu verstehen, mit dem die Natur mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser spaltet", sagt Messinger. "Ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung künstlicher Katalysatoren zur regenerativen Wasserstoffgewinnung."

Originalveröffentlichung:

Junko Yano, Jan Kern, Kenneth Sauer, Matthew J. Latimer, Yulia Pushkar, Jacek Biesiadka, Bernhard Loll, Wolfram Saenger, Johannes Messinger, Athina Zouni, Vittal K. Yachandra - Where Water is Oxidized to Dioxygen: Structure of the Photosynthetic Mn4Ca Cluster, Science, 3. November 2006

In dem vollständigen Cluster sind vier Mangan-, ein Kalzium- und mindestens fünf Sauerstoff-Atome miteinander verknüpft. "Das Geheimnis steckt in ihrer geometrischen Anordnung - dafür wurden bislang mindestens 18 Modelle allein für die Anordnung der Mangan- und Sauerstoffatome diskutiert", sagt. Den Spekulationen über die richtige geometrische Anordnung haben die Wissenschaftler mit ihrer experimentellen und theoretischen Arbeit nun erst einmal ein Ende gesetzt. Demnach baut sich der Cluster aus drei miteinander verbundenen Rauten auf. Zwei der Rauten aus Mangan- und Sauerstoffatomen teilen sich eine Kante, so dass sowohl ein Mangan- als auch ein Sauerstoffatom jeweils drei Bindungspartner haben. Ein weiteres Manganatom ist sogar von vier brückenden Sauerstoffatomen umgeben, da an ihm die dritte Raute hängt. "Wir haben auch die Abstände zwischen den einzelnen Manganatomen bestimmt", sagt Johannes Messinger: Zuvor wussten die Wissenschaftler zwar, dass die Manganatome nicht alle denselben Abstand zueinander haben. Das internationale Forscherteam hat jetzt aber herausgefunden, zwischen welchen Mangan-Atome der Abstand kurz und zwischen welchen er lang ist.

Diese Erkenntnisse hat die internationale Forschergruppe sowohl aus experimentellen Untersuchungen - insbesondere mit EXAFS-Messungen - als auch aus theoretischen Betrachtungen abgeleitet. Am Computer haben die Forscher alle theoretisch möglichen Anordnungen der Atome mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Mit Erfolg: "Am Ende blieb nur eine Anordnung für die vier Manganatome mit den verbrückenden Sauerstoffatomen übrig", sagt Messinger. "Damit sind wir einen entscheidenden Schritt weiter." Jetzt bleiben nur noch zwei Details offen: Die neuen Befunde lassen drei Möglichkeiten zu, wie der Cluster im Protein des Photosystem II orientiert ist, woraus sich für das Kalzium vier mögliche Positionen ergeben.

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Cluster Mangan Manganatom Photosynthese Photosystem Prozess Sauerstoffatom Sonnenlicht

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie