Setting the stage for release of oxygen Plants transform water into the oxygen we breathe using a protein-bound cluster of four manganese (Mn) ions and a calcium ion. Cox et al. now establish the precise electronic structure in that cluster immediately before formation of the O-O bond (see the Perspective by Britt and Oyala). Using the technique of electron paramagnetic resonance spectroscopy, they confirm a hypothesis that all four Mn ions are octahedrally coordinated and in the 4+ oxidation state. Such clues to the efficiency of the photosynthetic process, so essential to life on Earth, may also facilitate the development of artificial waters-plitting catalysts. Science , this issue p. 804 ; see also p. 736

Water binding to the Mn4O5Ca cluster of the oxygen-evolving complex (OEC) of Photosystem II (PSII) poised in the S2 state was studied via H217O- and 2H2O-labeling and high-field electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Hyperfine couplings of coordinating 17O (I = 5/2) nuclei were detected using W-band (94 GHz) electron–electron double resonance (ELDOR) detected NMR and Davies/Mims electron–nuclear double resonance (ENDOR) techniques. Universal 15N (I = 1/2) labeling was employed to clearly discriminate the 17O hyperfine couplings that overlap with 14N (I = 1) signals from the D1-His332 ligand of the OEC (StichBiochemistry 2011, 50 (34), 7390−7404). Three classes of 17O nuclei were identified: (i) one μ-oxo bridge; (ii) a terminal Mn–OH/OH2 ligand; and (iii) Mn/Ca–H2O ligand(s). These assignments are based on 17O model complex data, on comparison to the recent 1.9 Å resolution PSII crystal structure (UmenaNature 2011, 473, 55−60), on NH3 perturbation of the 17O signal envelope and density functional theory calculations. The relative orientation of the putative 17O μ-oxo bridge hyperfine tensor to the 14N(15N) hyperfine tensor of the D1-His332 ligand suggests that the exchangeable μ-oxo bridge links the outer Mn to the Mn3O3Ca open-cuboidal unit (O4 and O5 in the Umena et al. structure). Comparison to literature data favors the Ca-linked O5 oxygen over the alternative assignment to O4. All 17O signals were seen even after very short (≤15 s) incubations in H217O suggesting that all exchange sites identified could represent bound substrate in the S1 state including the μ-oxo bridge. 1H/2H (I = 1/2, 1) ENDOR data performed at Q- (34 GHz) and W-bands complement the above findings. The relatively small 1H/2H couplings observed require that all the μ-oxo bridges of the Mn4O5Ca cluster are deprotonated in the S2 state. Together, these results further limit the possible substrate water-binding sites and modes within the OEC. This information restricts the number of possible reaction pathways for O–O bond formation, supporting an oxo/oxyl coupling mechanism in S4.

Photosystems I and II convert solar energy into the chemical energy that powers life. Chlorophyll a photochemistry, using red light (680 to 700 nm), is near universal and is considered to define the energy "red limit" of oxygenic photosynthesis. We present biophysical studies on the photosystems from a cyanobacterium grown in far-red light (750 nm). The few long-wavelength chlorophylls present are well resolved from each other and from the majority pigment, chlorophyll a. Charge separation in photosystem I and II uses chlorophyll f at 745 nm and chlorophyll f (or d) at 727 nm, respectively. Each photosystem has a few even longer-wavelength chlorophylls f that collect light and pass excitation energy uphill to the photochemically active pigments. These photosystems function beyond the red limit using far-red pigments in only a few key positions.

Abstract Flash-induced absorption changes in the Soret region arising from the [P D1 P D2 ] + state, the chlorophyll cation radical formed upon light excitation of Photosystem II (PSII), were measured in Mn-depleted PSII cores at pH 8.6. Under these conditions, Tyr D is i ) reduced before the first flash, and ii ) oxidized before subsequent flashes. In wild-type PSII, when Tyr D ● is present, an additional signal in the [P D1 P D2 ] + - minus -[P D1 P D2 ] difference spectrum was observed when compared to the first flash when Tyr D is not oxidized. The additional feature was “W-shaped” with troughs at 434 nm and 446 nm. This feature was absent when Tyr D was reduced, but was present i ) when Tyr D was physically absent (and replaced by phenylalanine) or ii ) when its H-bonding histidine (D2-His189) was physically absent (replaced by a Leucine). Thus, the simple difference spectrum without the double trough feature at 434 nm and 446 nm, seemed to require the native structural environment around the reduced Tyr D and its H bonding partners to be present. We found no evidence of involvement of P D1 , Chl D1 , Phe D1 , Phe D2 , Tyr Z , and the Cyt b 559 heme in the W-shaped difference spectrum. However, the use of a mutant of the P D2 axial His ligand, the D2-His197Ala, shows that the P D2 environment seems involved in the formation of “W-shaped” signal.

Abstract Enterococcus faecalis is a commensal Gram-positive pathogen found in the intestines of mammals, and is also a leading cause of severe infections occurring mainly among antibiotic-treated dysbiotic hospitalized patients. Like most intestinal bacteria, E. faecalis does not synthesize heme. Nevertheless, environmental heme can improve E. faecalis fitness by activating respiration metabolism and a catalase that limits hydrogen peroxide stress. Since free heme also generates redox toxicity, its intracellular levels need to be strictly controlled. Here, we describe a unique transcriptional regulator, FhtR, ( F aecalis h eme t ransport R egulator), which manages heme homeostasis by controlling an HrtBA-like efflux pump (named HrtBA Ef ). We show that FhtR, by managing intracellular heme concentration, regulates the functional expression of the heme dependent catalase A (KatA), thus participating in heme detoxification. The biochemical features of FhtR binding to DNA, and its interactions with heme that induce efflux, are characterized. The FhtR-HrtBA Ef system is shown to be relevant in a mouse intestinal model. We further show that FhtR senses heme from blood and hemoglobin but also from crossfeeding by Escherichia coli . These findings bring to light the central role of FhtR heme sensing in response to heme fluctuations within the gastrointestinal tract, which allow this pathogen to limit heme toxicity while ensuring expression of an oxidative defense system. Importance Enterococcus faecalis , a normal, harmless colonizer of the human intestinal flora can cause severe infectious diseases in immunocompromised patients, particularly those that have been heavily treated with antibiotics. Therefore, it is important to understand the factors that promote its resistance and its virulence. Here, we report a new mechanism used by E. faecalis to detect the concentration of heme, an essential but toxic metabolite that is present in the intestine. E. faecalis needs to scavenge this molecule to respire and fight stress generated by oxydants. Heme sensing triggers the synthesis of a heme efflux pump that balances the amount of heme inside the bacteria. With this mechanism, E. faecalis can use heme without suffering from its toxicity.

Abstract The stoichiometry and kinetics of the proton release were investigated during each transition of the S-state cycle in Photosystem II (PSII) from Thermosynechococcus elongatus containing either a Mn 4 CaO 5 (PSII/Ca) or a Mn 4 SrO 5 (PSII/Sr) cluster. The measurements were done at pH 6.0 and pH 7.0 knowing that, in PSII/Ca at pH 6.0 and pH 7.0 and in PSII/Sr at pH 6.0, the flash-induced S 2 -state is in a low-spin configuration (S 2 LS ) whereas in PSII/Sr at pH 7.0, the S 2 -state is in a high-spin configuration (S 2 HS ) in half of the centers. Two measurements were done; the time-resolved flash dependent i ) absorption of either bromocresol purple at pH 6.0 or neutral red at pH 7.0 and ii ) electrochromism in the Soret band of P D1 at 440 nm. The fittings of the oscillations with a period of four indicate that one proton is released in the S 1 to S 2 HS transition in PSII/Sr at pH 7.0. It has previously been suggested that the proton released in the S 2 LS to S 3 transition would be released in a S 2 LS Tyr Z ● → S 2 HS Tyr Z ● transition before the electron transfer from the cluster to Tyr Z ● occurs. The release of a proton in the S 1 Tyr Z ● →S 2 HS Tyr Z transition would logically imply that this proton release is missing in the S 2 HS Tyr Z ● to S 3 Tyr Z transition. Instead, the proton release in the S 1 to S 2 HS transition in PSII/Sr at pH 7.0 was mainly done at the expense of the proton release in the S 3 to S 0 and S 0 to S 1 transitions. However, at pH 7.0, the electrochromism of P D1 seems larger in PSII/Sr when compared to PSII/Ca in the S 3 state. This points to the complex link between proton movements in and immediately around the Mn 4 cluster and the mechanism leading to the release of protons into the bulk.

Abstract In the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus , there are three psbA genes coding for the Photosystem II (PSII) D1 subunit that interacts with most of the main cofactors involved in the electron transfers. Recently, the 3D crystal structures of both PsbA2-PSII and PsbA3-PSII have been solved [Nakajima et al., J. Biol. Chem. 298 (2022) 102668.]. It was proposed that the loss of one hydrogen bond of Phe D1 due to the D1-Y147F exchange in PsbA2-PSII resulted in a more negative E m of Phe D1 in PsbA2-PSII when compared to PsbA3-PSII. In addition, the loss of two water molecules in the Cl-1 channel was attributed to the D1-P173M substitution in PsbA2-PSII. This exchange, by narrowing the Cl-1 proton channel, could be at the origin of a slowing down of the proton release. Here, we have continued the characterization of PsbA2- PSII by measuring the thermoluminescence from the S 2 Q A - /DCMU charge recombination and by measuring proton release kinetics using time-resolved absorption changes of the dye bromocresol purple. It was found that i ) the E m of Phe D1 −• /Phe D1 was decreased by ∼ 30 mV in PsbA2-PSII when compared to PsbA3-PSII and ii ) the kinetics of the proton release into the bulk was significantly slowed down in PsbA2-PSII in the S 2 Tyr Z • to S 3 Tyr Z and S 3 Tyr Z • → (S 3 Tyr Z • )’ transitions. This slowing down was partially reversed by the PsbA2/M173P mutation and induced by the PsbA3/P173M mutation thus confirming a role of the D1-173 residue in the egress of protons trough the Cl-1 channel.

Abstract Photosystem II (PSII) uses the energy from red light to split water and reduce quinone, an energy-demanding process based on chlorophyll a (Chl-a) photochemistry. Two kinds of cyanobacterial PSII can use Chl-d and Chl-f to perform the same reactions using lower energy, far-red light. PSII from Acaryochloris marina has Chl-d replacing all but one of its 35 Chl-a, while PSII from Chroococcidiopsis thermalis , a facultative far-red species, has just 4 Chl-f and 1 Chl-d and 30 Chl-a. From bioenergetic considerations, the far-red PSII were predicted to lose photochemical efficiency and/or resilience to photodamage. Here, we compare enzyme turnover efficiency, forward electron transfer, back-reactions and photodamage in Chl-f-PSII, Chl-d-PSII and Chl-a-PSII. We show that: i) all types of PSII have a comparable efficiency in enzyme turnover; ii) the modified energy gaps on the acceptor side of Chl-d-PSII favor recombination via P D1 + Phe - repopulation, leading to increased singlet oxygen production and greater sensitivity to high-light damage compared to Chl-a-PSII and Chl-f-PSII; ii) the acceptor-side energy gaps in Chl-f-PSII are tuned to avoid harmful back reactions, favoring resilience to photodamage over efficiency of light usage. The results are explained by the differences in the redox tuning of the electron transfer cofactors Phe and Q A and in the number and layout of the chlorophylls that share the excitation energy with the primary electron donor. PSII has adapted to lower energy in two distinct ways, each appropriate for its specific environment but with different functional penalties.

Flash-induced absorption changes in the Soret region, which originate from the [PD1PD2]+ state, the chlorophyll cation radical formed upon Photosystem II (PSII) excitation, were investigated in Mn-depleted Photosystem II. In wild-type PSII from Thermosynechococcus elongatus, the [PD1PD2]+-minus-[PD1PD2] difference spectrum shows a main negative feature at 434 nm and a smaller negative feature at 446 nm [Boussac et al. Photosynth Res (2023), https://doi.org/10.1007/s11120-023-01049-3]. While the main feature at 434 nm is associated with PD1+ formation, the origin of the dip at 446 nm remains to be identified. For that, we have compared the [PD1PD2]+-minus-[PD1PD2] difference spectra from the PsbA3/H198Q PSII mutant in T. elongatus and D2/H197A PSII mutant in Synechocystis sp. PCC 6803 with their respective wild type strains. By modifying the PD1 axial ligand with the H198Q mutation in the D1 protein in T. elongatus, the contribution at 434 nm was shifted to 431 nm, while the contribution at 446 nm was hardly affected. In Synechocystis sp. PCC 6803, by modifying the PD2 axial ligand with the H197A mutation in the D2 protein, the contribution at 446 nm was downshifted by approx. 3 nm to approx. 443 nm, while the main contribution at 432 nm was only slightly shifted upwards to 433 nm. This result suggests that the bleaching seen at 446 nm involves PD2. This could reflects a change in the [PD1+PD2]/[PD1PD2+] equilibrium or a more complex mechanism.