Proses Pemisahan Air dalam Fotosintesis

Gebrakan baru ilmu pengetahuan kali ini cukup mengejutkan, ilmuwan internasional asal Arizona State University menunjukkan gambar pertama proses pemisahan air fotosintesis yang membagi air menjadi proton, elektron dan oksigen, sebuah proses yang mempertahankan oksigen di atmosfer bumi. Petra Fromme, profesor kimia dan biokimia di ASU mengatakan, penelitian ini merupakan langkah pertama menuju tujuan akhir dalam mengungkap rahasia pemisahan air dan mendapatkan film biomolekul fotosintesis. Studi ini diterbitkan dalam jurnal Nature edisi 9 Juli 2014.

Penelitian ini didukung oleh Department of Energy's Office of Science, National Institutes of Health, National Science Foundation, German Research Foundation (DFG), Max Planck Society, SLAC and Lawrence Livermore National Laboratory Directed Research And Development Programs, dan BioXFEL Science and Technology Center.

Film Biomolekul Pemisahan Air Fotosintesis

Dalam pengetahuan umum, fotosintesis merupakan salah satu proses dasar kehidupan di Bumi. Bumi pada awalnya tidak mengandung oksigen, kemudian konversi oksigen ke atmosfer sekitar 2,5 miliar tahun yang lalu melalui proses pemisahan air. Semua kehidupan di Bumi tergantung pada proses ini untuk kebutuhan energinya, dan sitem fotosintesis menghasilkan oksigen yang pada akhirnya atmosfer Bumi mendukung kehidupan.

Pengungkapan mekanisme proses pemisahan air fotosintesis sangat penting untuk pengembangan sistem buatan yang meniru dan melampaui efisiensi sistem alam. Pengembangan 'daun buatan' merupakan salah satu tujuan utama penelitian ASU Center for Bio-Inspired Solar Fuel Production. Masalah utama yang dihadapi ilmuwan di seluruh dunia adalah menemukan efisiensi, katalis murah untuk mengoksidasi air mejadi oksigen, ion hidrogen dan elektron. Yang dibutuhkan hanya rincian lengkap tentang bagaimana fotosintesis melakukan proses menggunakan mangan dan kalsium.

Untuk pertama kalinya para ilmuwan berhasil melihat bagaimana perubahan struktur katalis ketika bereaksi. Setelah mekanisme oksidasi air fotosintesis dipahami, ahli kimia dapat merancang katalis fotosintesis buatan yang akan menghasilkan bahan bakar menggunakan sinar matahari.

Dalam hal fotosintesis buatan, oksigen diproduksi pada logam khusus yang mengandung empat atom mangan dan satu atom kalsium, terhubung bersama-sama sebagai kelompok logam. Klaster oksigen ini terikat pada  protein 'Photosystem II' (sistem fotosintesis) yang mengkatalisis proses berbasis cahaya dari pemisahan air. Hal ini membutuhkan empat kedipan cahaya untuk mengambil satu molekul oksigen dari dua molekul air yang terikat pada logam. Menurut Fromme, ada dua kelemahan utama untuk memperoleh informasi struktural dan dinamis pada proses ini dengan kristalografi sinar-X tradisional. Pertama, gambar yang dihasilkan diperoleh dengan metode penentuan struktur standar statis. Kedua, kualitas informasi struktural terpengaruh kerusakan sinar X.

Untuk menanggulangi kelemahana ini, ilmuwan menggunakan laser X-Ray paling kuat di dunia bernama LCLS, peralatan ini berada di Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Proses record snapshot pulse laser pada kristal Photosystem II sebelum meledak dalam sinar X-ray sangat cepat berkisar 10 -15 detik, prinsip ini disebut 'difraksi sebelum kehancuran'. Dengan cara ini, snapshot atau gambar proses pemisahan air dapat diperoleh, dimana tujuan utama dari penelitian ini untuk merekam film molekul pemisahan air.

Para peneliti menemukan perubahan struktural besar pada protein dan cluster logam yang mengkatalisis reaksi. Cluster ini secara signifikan memanjang, sehingga membuat ruang untuk molekul air bergerak masuk. Temuan ini merupakan langkah besar menuju untuk mengetahui proses fotosintesis, proses dimana tanaman membuat oksigen yang kita hirup, dari sinar matahari dan air.