Das eher unscheinbare Gebilde aus einigen Mangan- und Sauerstoffatomen sowie einem Kalziumatom hat es in sich. Es ist der Katalysator für eine der wichtigsten Reaktionen der Photosynthese: die Sauerstoff und chemische Energie liefernde Spaltung von Wassermolekülen mithilfe des Sonnenlichts. Die Funktion des Mangankomplexes ist schon seit Längerem bekannt, die Details der einzelnen Abläufe waren es bisher noch nicht. Jetzt sind Wissenschaftler dabei einen Schritt weiter gekommen. Denn einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es gelungen, die räumliche Anordnung und den genauen Abstand der Atome abzubilden.
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Ort des Geschehens ist das Photosystem II, das Kraftwerk der Photosynthese. Zu finden ist es im Inneren aller Lebewesen, die Lichtenergie zum Aufbau organischer Substanzen nutzen: in Cyanobakterien, in Grünalgen und in Pflanzen, millionenfach in so genannten Thylakoidmembranen aufgereiht. In seinem "Antennenbereich" sitzt Licht aufnehmendes Chlorophyll und in seinem Reaktionszentrum der Mangan-Katalysator. Damit wird es zum wirkungsvollsten biologischen Energieumwandlungssystem – Energieausbeute fast 100 Prozent. Zum Vergleich: Moderne Photozellen erreichen nicht einmal 20 Prozent.
Kein Wunder, dass Forscher weltweit intensiv daran arbeiten, die Struktur und Funktion des Mangankomplexes aufzuklären. Schon jetzt liegen 18 Strukturmodelle von verschiedenen Arbeitsgruppen vor. Bislang scheiterten die Wissenschaftler jedoch an der Methode. Das isolierte Photosystem II wurde in einer Flüssigkeit oder als Paste mit Röntgenstrahlen belichtet. Weil dabei die Moleküle sich bewegen oder nicht geordnet vorliegen, konnten zwar Atomabstände gemessen werden, die räumliche Gestalt blieb aber bislang nicht eindeutig bestimmbar.
Tief gekühlt und bestrahlt
Nun gingen Professor Wolfram Saenger von Institut für Kristallographie der Freien Universität Berlin und seine Mitarbeiter, gemeinsam mit Kollegen um Athina Zouni vom Max-Volmer-Institut für biophysikalische Chemie der Technischen Universität Berlin (TU) und amerikanischen Wissenschaftlern neue Wege. Am Max-Volmer-Institut wurden Kristalle des Photosystems II aus Cyanobakterien hergestellt, die am Stanford Synchrotron Radiation Laboratory in Kalifornien auf minus 260 Grad Celsius gekühlt und polarisiertem Röntgenlicht ausgesetzt wurden.
Die streng geordnete Lage der Atome in den Kristallen, tiefe Temperatur und die Bestrahlungsmethode sorgten dafür, dass wesentlich genauere Messungen möglich waren, so die Forscher im Wissenschaftsmagazin "Science". Jetzt können die Abstände zwischen zwei Manganatomen und, viel wichtiger, deren räumliche Orientierung exakt bestimmt werden.
Saenger und seine Kollegen am Institut für Kristallographie haben die Stanford-Ergebnisse ausgewertet und dann Schritt für Schritt mit den vorhandenen Strukturmodellen verglichen, um die beste Übereinstimmung herauszuholen. Saenger ist sich sicher, mit dem gefundenen neuen Modell ganz nah am natürlichen Vorbild zu sein. In einem nächsten Schritt will er nun mit größeren Kristallen und Neutronenstrahlen die ganze Wahrheit über den Mangankomplex und das Photosystem II herausfinden.
(idw – Freie Universität Berlin, 15.02.2007 – DLO)
