Versteckspiel der vier Mangan-Atome

Entdeckungen über die Chemie der Pflanzen

Die Natur nahm sich viele Millionen Jahre Zeit, um den wichtigsten chemischen Prozess auf Erden zu optimieren: die Fotosynthese. In einem hoch komplizierten Pigment-Protein-Komplex werden aus Wasser, Kohlendioxid und Sonnenenergie Zucker sowie der Sauerstoff der Atmosphäre erzeugt, die menschliches Leben erst ermöglichen. Weltweit versuchen Wissenschaftler, diesen Prozess detailliert zu verstehen, um ihn schließlich künstlich nachzuahmen und damit eine unerschöpfliche und umweltfreundliche Energiequelle zu erschließen. Mit einer Entdeckung sind Wissenschaftler des Max-Volmer-Laboratoriums für Biophysikalische Chemie am Institut für Chemie der TU Berlin zusammen mit Kollegen vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien sowie der FU Berlin und dem Max-Planck-Institut Mülheim der Lösung des Rätsels nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen, veröffentlicht in "Science" im November 2006.

"Konkret haben wir die Struktur des sogenannten Fotosystems II bestimmt, das mit Sonnenenergie Wasser spaltet", erklärt Dr. Athina Zouni. Sie ist Leiterin der Arbeitsgruppe, die bereits Ende 2005 Aufsehen mit neuen Erkenntnissen zur Fotosynthese erregte, veröffentlicht in "Nature" im Dezember 2005 (TU intern 1/06).

Im entscheidenden, wasserspaltenden Zentrum des Fotosystems II sind vier Mangan-, ein Kalzium- und mindestens fünf Sauerstoff-Atome verknüpft. Doch die richtige geometrische Anordnung der Atome konnte noch nicht ermittelt werden. Mindestens 18 Modelle wurden in der Vergangenheit diskutiert. Ohne diese Anordnung kann aber der Mechanismus der Wasserspaltung nicht verstanden und somit auch nicht für eine künstliche Fotosynthese nutzbar gemacht werden. "Wir konnten die Lösung nur durch internationale Zusammenarbeit finden", erzählt Athina Zouni. "Zur Strukturbestimmung muss das Fotosystem II Röntgenstrahlen ausgesetzt werden. Dabei kann das Mangan-Zentrum beschädigt werden. Die Amerikaner entwickelten dafür eine schonendere Messmethode, die mit den Daten der Kristallografie an der FU Berlin verknüpft wurde. Wir an der TU Berlin mussten mehr als hundert winzige Protein-Kristalle von etwa 1 x 0,3 Millimetern heranzüchten. Am Computer wurden alle möglichen Anordnungen mit den experimentellen Ergebnissen verglichen."

Schließlich blieb nur eine mögliche Anordnung übrig: Der Cluster besteht aus vier Mangan-Atomen, die jeweils über zwei Sauerstoff-Atome verbrückt sind. "Das Versteckspiel der Mangan-Atome ist damit beendet. Jetzt beginnt eine neue Phase der Forschung, die uns der Entwicklung künstlicher Katalysatoren zur Energiegewinnung näher bringt."

KoKo