Новое понимание биосинтеза и архитектуры фотосинтетических мембран у бактерий

Исследование учёных из Ливерпульского университета раскрывает, как древние фотосинтезирующие организмы — цианобактерии — развивают свой фотосинтетический аппарат и организуют архитектуру фотосинтетических мембран для эффективного захвата солнечного света и преобразования энергии.

Кислородный фотосинтез, осуществляемый растениями, водорослями и цианобактериями, производит энергию и кислород для жизни на Земле и является, возможно, важнейшим биологическим процессом. Цианобактерии — одни из древнейших фототрофов, способных к кислородному фотосинтезу, вносящие значительный вклад в атмосферу и первичную продукцию Земли.

Светозависимые фотосинтетические реакции выполняются набором фотосинтетических комплексов и молекул, размещённых в специализированных клеточных мембранах, называемых тилакоидными мембранами. Хотя некоторые исследования сообщали о структурах фотосинтетических комплексов, оставалось мало понимания о том, как строятся и развиваются нативные тилакоидные мембраны, чтобы стать функциональной единицей в клетках цианобактерий.

Исследовательская группа под руководством профессора Лунинга Лю разработала метод контроля формирования тилакоидных мембран во время роста клеток и использовала передовую протеомику и микроскопическую визуализацию для характеристики ступенчатого процесса созревания тилакоидных мембран. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

«Мы действительно в восторге от этих открытий», — сказал профессор Лю. — «Наше исследование рисует картину того, как фототрофы генерируют и затем развивают свои фотосинтетические мембраны, и как различные фотосинтетические компоненты включаются и располагаются в тилакоидной мембране для эффективного фотосинтеза — давний вопрос в этой области».

Ведущий автор исследования, доктор Туомас Хукко, сказал: «Мы обнаружили, что вновь синтезированные тилакоидные мембраны появляются между периферической клеточной мембраной, называемой плазматической мембраной, и уже существующим слоем тилакоидов. Обнаруживая белковый состав и фотосинтетическую активность в процессе развития тилакоидов, мы также обнаружили, что фотосинтетические белки хорошо контролируются в пространстве и времени для эволюции и сборки в тилакоидных мембранах».

Новое исследование показывает, что тилакоидная мембрана цианобактерий является по-настоящему динамической биологической системой и может быстро адаптироваться к изменениям окружающей среды во время роста бактерий. В тилакоидах фотосинтетические белки могут диффундировать из одного положения в другое и образовывать функциональные «белковые островки» для совместной работы с высокой фотосинтетической эффективностью.

«Поскольку цианобактерии осуществляют растительный фотосинтез, знания, полученные о тилакоидных мембранах цианобактерий, могут быть распространены на тилакоиды растений», — добавил профессор Лю. — «Понимание того, как эволюционирует и регулируется естественный фотосинтетический аппарат у фототрофов, жизненно важно для настройки и повышения фотосинтетической производительности. Это предлагает решения для устойчивого улучшения фотосинтеза и урожайности сельскохозяйственных растений в условиях изменения климата и растущего населения. Наше исследование также может принести пользу биоинспирированному проектированию и созданию искусственных фотосинтетических устройств для эффективного переноса электронов и производства биоэнергии».