Новые данные о происхождении фотосинтеза у любящих солнце бактерий

Исследователи из Университета штата Аризона (ASU) получили важные новые данные о ранней эволюции фотосинтеза, определив с почти атомарной точностью структуру ключевого мембранного белка у простейшей известной фотосинтезирующей бактерии Heliobacterium modesticaldum.

Простейшая система

Группа под руководством Раймунда Фромме изучила реакционный центр (RC) гелиобактерий — организмов, которые используют для фотосинтеза не воду, как растения, а сероводород (H₂S), и выделяют сернистый газ вместо кислорода. Они используют ближний инфракрасный свет, что позволяет им занимать уникальную экологическую нишу.

Heliobacterium modesticaldum обладает простейшим известным реакционным центром. Он был предложен в качестве ближайшего аналога общего предка всех фотосинтетических реакционных центров, существовавшего около 3 миллиардов лет назад, когда на Земле было мало кислорода, но много серы.

Ключевое открытие

С помощью рентгеновской кристаллографии с разрешением 2.2 ангстрема (ширина атома водорода) учёные впервые визуализировали RC гелиобактерий и обнаружили его уникальную симметрию.

• Реакционный центр оказался гомодимером: он состоит из двух идентичных белковых субъединиц.
• Это первый случай, когда фотосинтез осуществляется RC, содержащим всего одну пару гомодимерных белков.
• В структуре было картировано около 60 молекул (бактерио)хлорофилла — больше, чем предполагалось.
• Ядро димера и две малые субъединицы координируют 54 (бактерио)хлорофилла и 2 каротиноида для улавливания и передачи энергии. Сам реакционный центр, где происходит разделение зарядов, состоит из 6 (бактерио)хлорофиллов и железосерного кластера и, в отличие от других RC, не имеет связанного хинона.

"Высокоразрешающие структуры были получены для множества гетеродимерных RC, но ни одна гомодимерная структура RC до сих пор не была решена", — отметил Фромме.

Эволюционные последствия

Это открытие поддерживает гипотезу о том, что RC гелиобактерий сохранил черты предкового реакционного центра.

• "Гомодимерный RC почти наверняка предшествовал гетеродимерным RC в эволюции", — заявил Фромме.
• Дупликация гена основной субъединицы RC с последующим расхождением двух копий могла привести к превращению гомодимерного RC в гетеродимерный. Это, вероятно, происходило как минимум трижды, что привело к созданию всех более сложных реакционных центров у других бактерий и растений.

Практический потенциал

Понимание простейшей и, возможно, древнейшей фотосинтетической "машины" предоставляет учёным новый шаблон для разработки:

• Органических солнечных панелей ("искусственных листьев").
• Технологий возобновляемого биотоплива на солнечной энергии.

Исследование опубликовано в журнале Science.