NYHET Tillsammans med en stor internationell forskargrupp tar Johannes Messinger vid Umeå universitet ännu ett steg mot att förstå fotosyntesen och utveckla konstgjord fotosyntes. Med en kombination av röntgenlaser och spektroskopi har gruppen lyckats se elektronstrukturen hos mangankomplex, en kemisk förening relaterad till fotosyntesens spjälkning av vatten.
Linac Coherent Light Source (LCLS) är en fri-elektronröntgenlaserutrustning vid Stanford University i USA och den har använts för experimenten. Laserns våglängd är ungefär samma som bredden på en atom och varje ljuspuls varar 50 femtosekunder (10–15). Det är ett extremt litet tidsintervall: det går fler femtosekunder på en sekund än det går sekunder i en människas liv. Så extrem kort våglängd och så korta ljuspulser utgör ideala förhållanden att avbilda kemiska reaktioner på atomnivå i rumstemperatur.
Forskargruppen har tidigare lyckats att göra strukturanalyser med LCLS av isolerade fotosynteskomplex från växters fotosystem II i rumstemperatur. Nu har gruppen kombinerat metoden med spektroskopi och är först ut med att kunna se elektronstrukturen hos mangankomplex som liknar det som finns i fotosystem II. Mangan är en övergångsmetall som tillsammans med kalcium och syre bildar en vattenspjälkande katalysator i fotosystem II.
Ett mycket enkelt exempel på en spektrometer är en prisma som separerar solljuset i regnbågens alla färger. Den spektroskopiska tekniken som använts i denna studie fungerar på ett liknande sätt men med en samling av 16 specialiserade kristaller som bryter röntgenstrålarna som skickas ut från provet när det har exciterats av röntgenblixten.
Till forskarnas glädje förblev manganföreningarna intakta tillräckligt länge för att den detaljerade informationen om elektronstrukturen kunde observeras innan de förstördes av laserstrålen.
– Att både ha strukturinformation och spektroskopisk information gör att vi bättre kan förstå molekylers struktur, men även kemiska förrändringar på katalysatorernas aktiva yta som gör att enzymen kan sätta igång komplicerade kemiska reaktioner i rumstemperatur, säger Johannes Messinger, professor på kemiska institutionen vid Umeå universitet.
Den kemiska reaktionen som forskargruppen vill förstå är spjälkningen av vatten i fotosystem II eftersom det är en nyckelfaktor för att få artificiell fotosyntes att fungera – det vill säga framställa vätgas av solljus och vatten. Att kunna ta tillvara solen som energikälla och lagra den skulle hjälpa till att lösa människans allt mer akuta energiproblem.
De nya forskningsresultaten publiceras nu i den mycket ansedda tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.
Två stora forskningsprojekt vid Umeå universitet ägnar sig åt utvecklingen av konstgjord fotosyntes genom att härma växternas mycket framgångsrika sätt att ta tillvara solenergi. Båda projekten (”solar fuels” och ”artificial leaf”) leds av Johannes Messinger, professor på kemiska institutionen vid Umeå universitet.
Alonso-Mori Roberto, et. al: Energy-dispersive X-ray emission spectroscopy using an X-ray free-electron laser in a shot-by-shot mode. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS
Johannes Messinger Telefon: 090-786 59 33
E-post: johannes.messinger@chem.umu.se
Ange illustration: Greg Stewart, National Accelerator Laboratory vid Stanford University
Redaktör: Ingrid Söderbergh