گیاهان قادر به ساختن مواد غذایی خود بر اساس فرآيند فتوسنتز می‌باشند. فتوسنتر در گیاهان به طور عمده به کمک رنگدانه سبز رنگ کلروفیل انجام می‌گردد. این فرآیند با تولید اکسیژن به عنوان محصول جانبی، یکی از عوامل اصلی حضور اکسیژن در جو فعلی کره‌ی زمین می‌باشد. اما این پدیده به چه شکل انجام می‌گیرد؟
گروهی بین‌المللی از دانشمندان به کمک تصاویر بی‌سابقه در مقیاس اتمی از کمپلکس‌های پروتئینی موجود در گیاهان، جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها که به وسیله لیزر‌های فوق سریع X ray به دست آمده‌است، قدمی بزرگ در راستای پاسخ به این پرسش برداشته‌اند.
آزمایشات صورت گرفته سبب مشخص شدن جزئییات رخ داده در کمپلکس فتوسیستم ۲ حین فرآیند فتوسنتز داشته است. این کمپلکس با استفاده از انرژی نوری، موجب تجزیه مولکول آب و تولید اکسیژن می‌گردد. همچنین این واکنش‌ها موجب تولید پروتون و الکترون شده که در ادامه سبب احیای دی‌اکسید کربن به کربوهیدرات‌ها در طی چرخه فتوسنتزی می‌گردد.
تصاویر منتشر شده در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۱۶ (دیروز) در ژورنال Nature اولین تصاویر سه‌بعدی با کیفیت فوق بالا از کمپلکس فتوسیستم II می‌باشند. این تصاویر به کمک تکنولوژی باور نکردنی لیزر‌های بدون الکترون فوق سریع اشعه ایکس (XFEL) تهیه شده‌اند.
فتوسیستم II در غشای تیلاکوئید‌ها یافت می‌شود. تیلاکوئید‌ها به عنوان اجزایی از کلروپلاست‌ها و سیانوباکتری‌ها به وسیله غشای فسفولیپیدی احاطه شده‌اند. تیلاکوئید‌ها در واقع مکانی برای انجام واکنش‌های نوری (وابسته به نور) در روند فتوسنتز می‌باشند. با این حال جزئییات دقیق این واکنش‌ها تا به امروز برای دانشمندان در حاله‌ای از ابهام قرار دارد.
یکی از دانشمدان عضو تیم تحقیقاتی اظهار داشت:
در گذشته تصاویری به کمک کاهش دما از پروتئین‌های دخیل در فرآیند فتوسنتز هنگامی که در تاریکی ویا فاز استراحت قرار داشته، تهیه شده است. با این حال واکنش‌های عملکردی فتوسیستم دو در دما‌های انجمادی به وقوع نمی‌پیوندند. کاری که گروه ما برای نخستین بار موفق به انجام آن شده است، استفاده از لیزر‌های اشعه‌ی ایکس در دمای اتاق برای بررسی مکانیسم کمپلکس فتوسیستم دو بوده است. این متد توانایی توجیه رویداد‌های حقیقی در شرایط طبیعی فتوسنتز را خواهد داشت.
دانشمندان سال‌هاست برای درک نحوه‌ی تجزیه آب توسط گیاهان به الکترون، پروتون و اکسیژن، تلاش فراوانی می‌کنند. درک مکانیسم انجام این واکنش پیچیده، به این سادگی توسط سیستم‌های طبیعی، کمک بسزایی در توسعه روش‌های مبتنی بر تفکیک مولکول‌های آب به کمک نیروی خورشیدی خواهد کرد.
نتایج آزمایشات تیم تحقیقاتی، به طور حیرت آوری نشان از عدم صحت دو تئوری مطرح در مکانیسم انجام واکنش تجزیه آب در فتوسیستم دو داشته است. به گفته دانشمندان، در صورت صحت ادعا‌های مطرح شده تا به امروز در مورد مکانیسم انجام واکنش تجزیه آب در فتوسیستم دو، می‌بایستی مولکول‌های آب به ناحیه مشخصی از این کمپلکس متصل بشوند.
توانایی مشاهده روند تفکیک آب در دمای اتاق به علت این که اغلب تصویربرداری‌ها و تکنولوژی‌های کریستالوگرافی اشعه ایکس، پیش از جمع‌آوری اطلاعات مورد نیاز موجب نابودی نمونه می‌گردند، با مشکلات فراوانی مواجه است. با این حال تلاش‌های اخیر دانشمندان سبب حل این مشکل به کمک تکنولوژی LCLS شده است.
نکته مثبت در ارتباط با LCLS سرعت بسیار بالای آن (زمان پرتودهی در حدود ۴۰ فمتوثانیه) و شدت بسیار بالای پرتو‌های تابش شده در آن می‌باشد. این فاکتور‌ها موجب جمع‌آوری اطلاعات مورد نیاز پیش از نابودی نمونه می‌گردد. این متد بسیار نو در حال حاضر تنها در دو مرکز تحقیقاتی در سراسر جهان یافت می‌گردد.
رزولوشن فضایی گزارش شده از ساختار فتوسیستم II برابر با ۲.۲۵ آنگستروم می‌باشد. تیم تحقیقاتی در تلاش برای مشاهده جزئییات مکانیسم در مقیاسی بسیار ریز بوده و این اولین باریست که علم توانسته جزئییاتی در این مقیاس از داستان فتوسنتز ارائه نماید. این موضوع سبب درک بهتر پدیده فتوسنتز خواهد شد.
به کمک LCLS، دانشمندان در ابتدا نمونه کریستالی را به کمک فوتون‌های عملکردی کلروفیل، وادار به انجام واکنش‌های متابولیکی در فتوسیستم II کردند. سپس با ارسال پرتو‌های ایکس به جمع‌آوری اطلاعات انکساری از نمونه اقدام نمودند. این اطلاعات به حدی سریع تهیه می‌گردند که در فاصله حصولشان، نمونه به سبب انرژی پرتو ایکس نابود نمی‌گردد. در طی این فرآیند دانشمندان به کمک آمونیوم، به عنوان مارکر، موقعیت مولکول‌های آب در ساختار کمپلکس را مورد ارزیابی قرار دادند. فرآیند بررسی بر پایه حضور و عدم حضور مولکول آمونیوم در محل اتصال کمپلکس می‌باشد. در واقع هنگام حضور آمونیوم در جایگاه اتصال فتوسیستم دو می‌توان نتیجه گرفت که مولکول آب در آن ناحیه حضور ندارد.
قراردادن تکه‌های پازل در کنار هم
در تحقیقات صورت گرفته، الگوریتم‌های نرم‌افزاری توسعه‌داده شده توسط Paul Adams و گروهش، برای تفسیر انکسار ضبط شده و تولید مدل‌های سه‌بعدی از فتوسیستم دو مورد استفاده قرار گرفته است.
از آن‌جایی که هر کریستال، به علت نابودی توسط پرتو ایکس، تنها قابلیت تحمل یک شات لیزر را دارد، دانشمندان مجبور بودند تا هزاران عدد از آن‌ها را برای جمع‌آوری اطلاعات کافی از تمامی مراحل حدواسط آماده نمایند. در واقع به کمک این متد هر بار تنها توانایی جمع‌آوری قطعه بسیار کوچکی از پازل اطلاعات را خواهید داشت. لذا در نهایت می‌باستی قطعات این پازل را در کنار هم قرار داده و نتایج را تفسیر نمایید.
