Schnappschüsse von einem zentralen Prozess des Lebens

Das Deutsch-Amerikanische Team untersucht zentrale Reaktionen bei der Photosynthese an Lichtquellen wie SLAC und BESSY II. Illustration: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory

Das Deutsch-Amerikanische Team untersucht zentrale Reaktionen bei der Photosynthese an Lichtquellen wie SLAC und BESSY II. Illustration: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory

Human Frontier Science Program fördert internationales Forschungsprojekt zu Photosynthese.

Die Photosynthese zählt zu den zentralen Prozessen, die Leben ermöglichen, ist aber bisher nur grob verstanden. Mit ultrakurzen Schnappschüssen an modernen Lichtquellen wie BESSY II in Berlin und der Linac Coherent Light Source in Stanford will nun ein deutsch-amerikanisches Team die Zwischenschritte bei der komplexen katalytischen Reaktion beobachten. Dafür hat ihnen das Human Frontier Science Program nun eine Unterstützung von rund 900.000 US-Dollar für die nächsten drei Jahre zugesichert.  Zum Team gehören der HZB-Physiker Dr. Philippe Wernet, die Chemikerin Prof.  Dr. Athina Zouni von der Humboldt-Universität zu  Berlin, Dr. Uwe Bergmann vom SLAC National Accelerator Laboratory und Dr. Junko Yano, Lawrence Berkeley National Laboratory, die das Projekt federführend leitet.

Natürlicher Katalysator unter der Lupe

Obwohl alle tierischen Organismen Sauerstoff verbrauchen, geht uns der Sauerstoff glücklicherweise nicht aus. Denn Grünpflanzen, Algen und Cyanobakterien bauen aus CO2,Wasser und Sonnenlicht durch Photosynthese andere Moleküle auf und setzen dabei wieder Sauerstoff frei. Dabei wird die zentrale Reaktion im „Photosystem II“- Protein“, nämlich die Abspaltung von Sauerstoff aus Wasser, erst durch einen Katalysator möglich, ein komplexes Molekül mit einem Kern aus Mn4CaO5.

Wie die Reaktion an diesem natürlichenKatalysator nun genau abläuft, wollen Forscher am HZB zusammen mit Kollegen der HU Berlin und in den USA untersuchen. Neue Einsichten wären nicht nur grundsätzlich spannend, sondern könnten auch dazu beitragen, Solarenergie in Form von solaren Brennstoffen zu speichern und so eine der großen Herausforderungen der Energiewende zu lösen.  

Neuer Ansatz: Reaktionen bei Raumtemperatur beobachten

Zu diesem Zweck hat das Team nun einen neuen Ansatz entwickelt, der weit über die konventionelle Röntgenkristallografie und Röntgenspektroskopie bei tiefen Temperaturen hinausgeht. Denn solange die Untersuchungen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt stattfinden, sind die Bedingungen keineswegs lebensnah. Auch beschädigt die Röntgenstrahlung die Katalysemoleküle.

Die intensiven und ultrakurzen Femtosekunden-Röntgenpulse an der Linac Coherent Light Source, einem Freien-Elektronenlaser am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford bieten die Möglichkeit, bei Raumtemperatur Daten zu sammeln und dabei das Signal aufzufangen, bevor die Probe zerstört wird. „Wir machen eine Art Schnappschuss von der Reaktion“, erklärt Philippe Wernet.  

Die Forscher wollen damit die Protein-Struktur und die Dynamik der Reaktion am Mn4CaO5 –Cluster untersuchen, und zwar während weiter Licht absorbiert wird und Wasser zu Sauerstoff  oxidiert. „Wir planen eine Folge von zeitaufgelösten Röntgenstreu- und Röntgenspektroskopie-Experimenten, um die Reaktion bei Raumtemperatur zu untersuchen und dabei alle Zwischenschritte abzubilden“, erklärt Wernet.  So hoffen sie,  einen sehr genauen Einblick in  die Reaktionen zu erhalten, die für den Prozess der photosynthetischen Wasser-Oxidation nötig sind.

SLAC und BESSY II ergänzen sich

Dabei ergänzen sich die vier Experten auf ideale Weise. Junko Yano vom Lawrence Berkeley National Laboratory und die Chemikerin Athina Zouni von der Humboldt-Universität zu Berlin sind ausgewiesene Expertinnen für das Photosystem II Protein und Röntgenkristallografie. Die Gruppe um Uwe Bergmann an der Linac Coherent Light Source, USA, wird die Schnappschüsse mit harter Röntgenstrahlung machen. Philippe Wernet vom HZB kann die Proben zeitaufgelöst mit weichen Röntgenstrahlen an BESSY II untersuchen.

Zur Webseite des Human Frontiers Science Programs

 

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB-Postdoc Feng Liang erhält Professur an der Xi'an Jiaotong University
    Nachricht
    07.03.2025
    HZB-Postdoc Feng Liang erhält Professur an der Xi'an Jiaotong University
    Seit 2021 forscht Dr. Feng Liang am HZB-Institut für Solare Brennstoffe. Nun hat er einen Ruf an das Green Hydrogen Innovation Center der Fakultät für Maschinenbau der Xi'an Jiaotong University in China erhalten. Ab Juni 2025 baut er dort ein eigenes Forschungsteam auf.
  • Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-Schaum
    Science Highlight
    24.02.2025
    Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-Schaum
    Metallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus versprechen deutlich höhere Kapazitäten als konventionelle Graphit-Elektroden. Leider degradieren sie aufgrund von mechanischen Beanspruchungen während der Lade- und Entladezyklen. Nun zeigt ein Team am HZB, dass ein hochporöser Schaum aus Zinn den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich besser abfedern kann. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.
  • Perowskit-Solarzellen: Der Schlüssel zur Langzeitstabilität
    Science Highlight
    21.02.2025
    Perowskit-Solarzellen: Der Schlüssel zur Langzeitstabilität
    Perowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und hocheffizient. Im Außeneinsatz unter realen Wetterbedingungen ist jedoch noch fraglich, wie lange sie stabil bleiben. Dieses Thema greift nun eine internationale Kooperation unter Leitung von Prof. Antonio Abate in der Fachzeitschrift Nature Reviews Materials auf. Die Forschenden untersuchten die Auswirkungen von wiederholten thermischen Zyklen auf Mikrostrukturen und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten von Perowskit-Solarzellen. Das Fazit: Der entscheidende Faktor für die Degradation von Metall-Halogenid-Perowskiten sind thermische Spannungen. Daraus lassen sich Strategien ableiten, um die Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen gezielt zu steigern.