Le photosystème II (PSII) est un énorme complexe membrane-protéine qui catalyse la division de l'eau induite par la lumière, conduisant à la génération de protons et d'oxygène moléculaire. Cette réaction convertit l'énergie lumineuse du soleil en énergie chimique qui est nécessaire pour soutenir presque toutes les activités vivantes sur Terre. La réaction de séparation de l'eau est catalysée par un cluster Mn4CaO5 intégré dans la matrice protéique du PSII, et passe par cinq états intermédiaires appelés états-Si. Les structures du PSII et du cluster Mn4CaO5 ont été résolues avec une résolution atomique, cependant, les mécanismes régissant la division de l'eau ne sont pas clairs en raison du manque de structures intermédiaires de l'enzyme.

Maintenant, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen à l'Université d'Okayama, et collègues d'instituts comme l'Université de Kyoto, RIKEN, ont clarifié et résolu la structure de l'amas de Mn4CaO5 à l'état S3, un état intermédiaire qui existe immédiatement avant la formation d'oxygène moléculaire, généré par deux éclairs d'éclairage optique. Ils ont utilisé une méthode pompe-sonde où deux flashs laser ont été utilisés pour pomper l'enzyme à l'état intermédiaire, et les données de diffraction des rayons X ont été collectées par une méthode de cristallographie femtoseconde en série utilisant des lasers à électrons libres à rayons X femtoseconde (XFEL) au SACLA, Japon.

Les résultats ont montré l'insertion d'un nouvel atome d'oxygène (molécule d'eau) à proximité d'un oxo-oxygène déjà existant appelé O5, permettant la formation d'oxygène moléculaire entre O5 et l'atome d'oxygène nouvellement inséré (O6). Cela a clairement démontré le mécanisme régissant la réaction de séparation de l'eau catalysée par le PSII, et a fourni un modèle pour la conception et la synthèse de catalyseurs artificiels efficaces qui pourraient à l'avenir être utilisés dans la photosynthèse artificielle pour produire de l'énergie propre et renouvelable à partir du soleil.