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
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.
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- 3D-Magnetfeld-Experiment an BESSY II bringt Spintronik voran(Fe0.63Ni0.3Pd0.07)3P oder kurz FNPP ist ein magnetisches Material, das auch schon bei Raumtemperatur komplexe magnetische Strukturen zeigt. Das macht das Material für die Spintronik interessant, die Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieeinsatz ermöglichen würde, zum Beispiel neuartige Datenspeicher. Allerdings müsste es dafür gelingen, die gewünschten Strukturen kontrolliert zu erzeugen und zu verändern, und das ist bisher noch eine Herausforderung. Eine neue Studie unter Federführung des HZB ist hier nun einen Schritt vorangekommen. Mit einem weltweit einzigartigen Instrument, dem VEKMAG an BESSY II, zeigten sie, dass ein sehr kleines äußeres Magnetfeld in der Ebene der Strukturen ausreicht, um diese zu verändern.
- Erstmals gesicherte Zahlen: Investitionen in BESSY lohnen sich für Berlin und DeutschlandEine Wirkungsanalyse des DIW Econ zeigt den wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Wert von BESSY II. Jeder investierte Euro bringt Deutschland drei Euro ein, dem Land Berlin sogar zehn Euro. Darüber hinaus gibt die Studie eine wirtschaftliche Prognose zum Bau von BESSY III.
Die Wirkungsanalyse wurde am 3. September 2026 an Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung im Berliner Senat übergeben. Er befürwortet Investitionen und setzt sich mit Nachdruck für BESSY III ein. - BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.