In de deze week gepubliceerde early edition van het tijdschrift PNAS ( Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) beschrijven de onderzoekers van het Leiden Institute of Chemistry (LIC), het Leiden Institute of Physics (LION) en twee onderzoekers uit Frankfurt en Konstanz het gedrag van de elektronen in het proces van de fotosynthese.

Chemisch gezien zeer ongewoon

Lange tijd was de precieze volgorde in het proces van fotosynthese niet bekend. De Duitse biochemicus Otto Heinrich Warburg, winnaar van de Nobelprijs voor Geneeskunde in 1931, nam aan dat de zuurstof die gedurende het proces vrijkomt, afkomstig was van koolstofdioxide. Intussen is bekend dat fotosynthese in twee stappen verloopt: de licht- en de donkerreacties. Bij de lichtreactie wordt water onder invloed van licht en bladgroen ontleed in zuurstof en waterstof. In de donkerreactie wordt de door de lichtreactie vastgelegde energie gebruikt voor de vorming van glucose uit koolstofdioxide.

Voor scheikundigen is dit proces zeer ongewoon, omdat er een sterke stroombron nodig is om de reactie tegengesteld aan de natuurlijke richting te stuwen.

De natuur heeft daarvoor twee stroombronnen ontwikkeld die na elkaar functioneren. Fotosynthese II, de sterkste natuurlijke oxidator, vormt het stadium waarin water ontleed wordt, en fotosynthese I is de sterkste reductor in de levende natuur. De verbinding tussen beide systemen maakt de elektronenstroom van water tot uiteindelijk glucose mogelijk.

Wisselwerking

‘De grote vraag is hoe een eiwit een zo grote elektrische spanning kan opbouwen dat water gesplitst kan worden, zonder daaraan kapot te gaan’, vertelt dr. Jörg Matysik, een van de auteurs van het PNAS artikel. Voor een antwoord op die vraag hebben de onderzoekers met een nieuwe methode, die photo-CIDNP MAS NMR genoemd wordt, de elektronische structuur van de reductor in fotosynthese II onderzocht. Matysik: ‘Anna Diller, die in september haar proefschrift hierover zal verdedigen, ontdekte dat de dichtheid van de elektronspinresonantie heel anders is dan in fotosynthese I. Bovendien ontdekte ze dat op een zijketen een elektronspin van het aminozuur histidine kan worden waargenomen’.

Deze beide waarnemingen houden duidelijk verband met elkaar. De wisselwerking tussen histidine en bladgroen kan onder andere de benodigde energie verlagen en daardoor het reductie potentieel verhogen.

Zonnecellen

Op dit moment wordt dit model zuiver theoretisch geanalyseerd. Omdat de natuurlijke stroombronnen veel beter functioneren dan de kunstmatige, kan het voorbeeld van de reductor van fotosynthese II een inspiratie vormen voor de ontwikkeling van nieuwe kunstmatige stroombronnen, bijvoorbeeld betere zonnecellen. In die zonnecellen kan dan met behulp van organische moleculen bijvoorbeeld stroom worden opgewekt, of waterstof geproduceerd.