Av professor Einar Uggerud og doktorgradsstipendiat Glenn Miller, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

En tilfeldig idé vi fikk på labben kan ha ført til at vi har fanget et nøkkelmolekyl i fotosyntesen, som er grunnlaget for alt liv. Tiden vil vise om vi har rett.

Proteinet som det finnes mest av på jorda har det pussige navnet RuBisCo. Vi finner det i gress, blader og alger, og det er ansvarlig for at CO₂ fra lufta omdannes til sukkermolekyler gjennom fotosyntesen. Denne kjemiske prosessen danner som kjent grunnlaget for vår eksistens.

Vi er to nysgjerrige fyrer som arbeider ved Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. For en tid siden fikk vi en spennende, men ukonvensjonell idé. Utgangspunktet var vissheten om at binding av CO₂ krever tilførsel av to elektroner, samt tilstedeværelse av et magnesium-ion. Magnesium-atomet er sentralatomet i RuBisCo, og stedet der CO₂-binding skjer. Vi så for oss den enklest tenkelige modellen for denne bindingsformen, og gikk i gang med å lage vannløsninger av magnesiumklorid og oksalsyre for deretter å elektrospraye løsningene inn i et vakumkammer. Ved hjelp av et massespektrometer kunne vi observere molekyler med grunnformelen MgCO₂, men eksperimentene kunne ikke avsløre hvordan atomene er bundet sammen. Vi tok derfor kontakt med kolleger i Berlin som har det nødvendige utstyret.

Ved Fritz-Haberinstituttet i Berlin har professor Knut Asmis og medarbeidere nylig koplet et liknede, men mer avansert vakumkammer til et massespektrometer og til den splitter nye frielektronlaseren (FEL). Dermed gikk vårt norsk/tyske forskerlag i gang med forsøk på å bestråle det nye molekylet med den avanserte FEL-laseren. FEL-anlegget fyller hele nabobygningen og strålingen føres inn i laboratoriet gjennom et snedig rørsystem. Ved systematisk å variere bølgelengden til den infrarøde strålingen fra FELen, registrerte vi at molekylet kun påvirkes ved helt bestemte bølgelengder, og på en måte som bare kunne passe med at atomene i molekylet er bundet sammen i en drakeformet firkant, som vist i figuren.

I dette arbeidet har vi dessuten hatt stor nytte av å gjøre nøyaktige kvantekjemiske beregninger for å simulere strukturen og egenskapene til molekylet. Det simulerte spekteret er identisk med måleresultatet, hvilket gir stor tiltro til fortolkningen av eksperimentene.

Det viser seg at dette og liknende molekyler (som kalles oksykarbener)  er uvanlig skjøre, ved at de reagerer svært hurtig med ulike organiske forbindelser og med vann. Derfor kan de kun studeres når de isoleres fra andre molekyler, det vil si i et vakumkammer. Det gjenstår å se om molekylet faktisk spiller en nøkkelrolle ved fotosyntesen. I så fall gir studien et viktig og unikt øyeblikksbilde. Molekyler av dette slaget kan også dannes ved menneskeskapte prosesser for CO₂-fiksering, blant annet ved elektrokjemisk reduksjon av CO₂. 

–––

Arbeidet er nylig publisert i Angewandte Chemie, og er den første publikasjonen der stråling fra FEL-anlegget i Berlin har blitt brukt. Prosjektet gjennomføres takket være støtte fra Norges forskningsråd gjennom CTCC (et Senter for fremragende forskning) og NOTUR (infrastruktur for bergningsvitenskap i Norge).