Moleculaire Dynamica toont chaotisch elektronentransport

Planten kunnen fotonen (licht) heel efficiënt omzetten in elektronen. Maar het transport van die elektronen is een nogal chaotisch proces, ontdekten RUG-onderzoekers. Zij gebruikten moleculaire dynamica om de werking van Fotosysteem II te simuleren. De resultaten zijn 10 mei gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Planten en sommige bacteriën gebruiken het fotosysteem II (FSII) complex om fotonen om te zetten in vrije elektronen, waarna het molecuul plastochinon ze naar de volgende stap in de keten brengt. Uiteindelijk zorgen deze elektronen voor de productie van de universele energiedrager van de cel, het ATP. Dit staat allemaal in de leerboeken biologie en we weten al heel veel over de verschillende onderdelen van het systeem. Maar wat we nog niet wisten was hoe dat plastochinon het FSII complex binnenkomt en het weer verlaat om zijn belangrijke transportwerk te verrichten.

‘De structuur van FSII is al bekend en op basis van het statische plaatje was af te leiden dat er twee kanalen zijn waardoor plastochinon naar binnen en weer naar buiten kan’, legt RUG-hoogleraar Moleculaire Dynamica Siewert-Jan Marrink uit. ‘Maar zo simpel is het dus niet.’ Marrink, zijn promovendus Floris van Eerden en nog enkele collega’s gebruikten moleculaire dynamica om de interactie van FSII met plastochinon te bestuderen. Daarvoor moesten ze het enorme FSII complex, dat bestaat uit verschillende eiwitten en andere moleculen, modelleren. Een groot computercluster was nodig om de interactie tussen de verschillende onderdelen uit te rekenen.

Beton

Floris van Eerden deed het meeste modelleerwerk. ‘Het kostte ongeveer twee jaar om alles aan de praat te krijgen’, legt hij uit. Hij modelleerde niet alleen het complex, maar ook de lipide-membraan van de bladgroenkorrels waar het zich normaal gesproken in bevindt. De eerste resultaten waren niet veelbelovend: ‘FSII is erg stabiel, het leek wel een blok beton’, zegt Van Eerden. Maar toen hij meer in detail ging kijken bleek het beeld dynamischer te zijn – vooral de plastochinon moleculen bleken erg beweeglijk. ‘In niet-gereduceerde toestand, dus zonder de extra elektronen, ging plastochinon inderdaad het FSII in en bond het zich in de ‘uitwisselingsholte’. Nadat het hier elektronen had opgepikt, liet het weer los en bewoog het weg.’

(Vervolg onder de video)

Een verrassing was de ongecontroleerde manier waarop dit allemaal plaatsvond. ‘Het idee dat iedereen had was dat er twee kanalen waren waar plastochinon doorheen ging, eentje om naar binnen te gaan en eentje als weg naar buiten’, vertelt Marrink. Maar er bleken drie kanalen te zijn die allemaal gebruikt werden om naar binnen of naar buiten te gaan. ‘De natuur bleek niet zo geordend als we hadden gedacht.’

Entropie

Wanneer een plastochinon molecuul eenmaal in de membraan zat, ging het al snel het FSII complex binnen. Maar het kwam er soms direct weer uit, zonder elektronen, of het bleef een tijdje in het complex ronddobberen voordat het eindelijk bond in de uitwisselingsholte en daar dan elektronen ontving. Marrink: ‘Toevallige beweging door de entropie lijkt alles te bepalen.’

Toch is het hele proces van het omzetten van een opgevangen foton in een elektron, dat door de hele machinerie gaat om de energiedrager ATP te produceren, extreem efficiënt. Veel efficiënter dan door mensen gebouwde zonnepanelen. Misschien dat we dus iets kunnen leren van de natuur. En de landbouw zou op termijn ook zijn voordeel kunnen doen met deze nieuwe kennis over de werking van FSII. ‘Er zijn nogal wat onkruidbestrijdingsmiddelen die op dit systeem aangrijpen’, zegt Van Eerden. Maar uiteindelijk is het toch vooral het uitpluizen van de indrukwekkende complexiteit van het systeem waar de wetenschappers blij van worden. ‘Dat is echt ongelooflijk’, verzucht Marrink.

Referentie: Floris J. Van Eerden, Manuel N. Melo, Pim W.J.M. Frederix, X. Periole, S.J. Marrink: Exchange Pathways of Plastoquinone and Plastoquinol in the Photosystem II Complex. Nature Communications, 10 mei 2017, DOI 10.1038/NCOMMS15214