Исследование антенных комплексов фотосинтеза показывает, как они собирают свет у растений, водорослей и бактерий

Фотосинтетические антенные комплексы — кластеры белков и пигментов внутри каждого листа, травинки или клетки водоросли — представляют собой одни из самых эффективных в мире систем сбора энергии.

Углубление понимания этих комплексов может помочь в создании искусственных систем, имитирующих листья для преобразования солнечного света в электричество или топливо. Это также может заложить основу для повышения эффективности фотосинтеза у растений, водорослей и микробов, что потенциально удешевит и упростит производство биотоплива.

Исследования в этой области поддерживает Управление науки (SC) Министерства энергетики США (DOE) через Центр исследований фотосинтетических антенн (PARC).

От фотона к фотохимии

Весь фотосинтез начинается с того, что фотон света попадает на пигмент (хлорофилл у растений и водорослей; бактериохлорофилл у некоторых бактерий). Пигмент реагирует, отдавая электрон, который затем передаётся в реакционный центр для производства энергии.

Антенный комплекс — это совокупность пигментов и белков, которые улавливают и направляют энергию света. Эти комплексы чрезвычайно разнообразны по размеру, структуре и типам пигментов у разных организмов.

Зелёные серные бактерии как модель для исследований

Семейство зелёных серных бактерий (Chlorobiaceae) — уникальные фотосинтезирующие организмы. Они обитают в глубоких осадках водоёмов, где получают лишь несколько фотонов света в день, и не производят кислород.

Несмотря на скудное освещение, эти бактерии невероятно эффективны благодаря двум совместно работающим антенным комплексам:

• Хлоросомы — крупнейшие из известных фотосинтетических комплексов, содержащие до 250 000 молекул пигмента и очень быстро передающие энергию. Исследователи называют их, возможно, «самыми впечатляющими светособирающими антеннами в природе».
• Комплекс Фенна-Мэттьюса-Олсона (FMO).

Необычность этих бактерий делает их идеальным объектом для исследований, так как их комплексы проще воссоздать, чем растительные, и они обладают ценными для будущих технологий характеристиками.

Изучение самосборки антенных комплексов

В растениях и водорослях каркас антенных комплексов состоит из белков. Однако хлоросомы зелёных серных бактерий лишены такого белкового каркаса — их пигменты самоорганизуются в стопки. Эта более простая самоорганизация может быть легче для воспроизведения учёными.

Поскольку каждая хлоросома имеет уникальную структуру, исследователи из PARC создали мутантные формы бактерий с более однородным распределением пигментов. Они обнаружили, что небольшие вариации в «строительных блоках» пигментов приводят к совершенно разным структурам.

Учёные из университетов-партнёров PARC синтезировали с нуля 30 различных хлоринов (тип пигмента). Добавляя или удаляя химические группы, они могут «настраивать» характеристики пигментов, включая их способность к самоорганизации, что открывает путь к созданию синтетических светособирающих систем.

Защита от избытка солнца

Как и людям, фотосинтезирующим организмам нужна защита от солнца. Избыток световой энергии может их повредить.

Обычно, поглотив свет, пигмент хлорофилла отдаёт электрон в реакционный центр. Но если центр перегружен, электрон передаётся специализированным белкам и пигментам, которые его рассеивают. Исследователи хотят лучше понять этот процесс, чтобы создать растения, максимизирующие использование света и минимизирующие повреждения.

Зелёная серная бактерия Chlorobaculum снова предлагает уникальный механизм. Кислород повреждает её реакционные центры, поэтому бактерия замедляет фотосинтез как при избытке света, так и в присутствии кислорода.

Изучая её FMO-комплекс, учёные обнаружили, что защитную роль выполняют не специальные пигменты, а две обычные аминокислоты цистеина. Они принимают электроны, но только в присутствии кислорода. В отличие от других механизмов, работающих как «выключатель» фотосинтеза, этот действует как «регулятор громкости», который клетка может плавно настраивать.

Это новое понимание может позволить модифицировать почвенные бактерии, фиксирующие азот для растений, но плохо переносящие кислород. Повышение их толерантности к кислороду может увеличить урожайность продовольственных и биоэнергетических культур.