Новые детали ключевых белковых комплексов проливают свет на бактериальный фотосинтез

Исследователи из Ливерпульского университета и их коллеги достигли нового понимания бактериального фотосинтеза. Используя новые методы, они получили детальные изображения ключевых фотосинтетических белковых комплексов пурпурных бактерий. Эти изображения по-новому показывают, как эти микроорганизмы улавливают солнечную энергию.

Работа опубликована в журнале Science Advances.

Исследование не только углубляет понимание бактериального фотосинтеза, но и имеет потенциальное применение в разработке искусственных фотосинтетических систем для производства чистой энергии.

Как и растения, многие бактерии развили способность преобразовывать свет в энергию в процессе бактериального фотосинтеза. Эта важная биологическая реакция позволяет микроорганизмам играть ключевую роль в глобальных циклах питательных веществ и потоке энергии в экосистемах, а также лежит в основе водных пищевых цепей. Изучение древнего бактериального фотосинтеза также помогает понять эволюцию жизни на Земле.

Эта работа представляет высокоразрешенные структуры фотосинтетических реакционных центров–светособирающих комплексов (RC−LH1) из Rhodobacter blasticus — модельного организма для понимания бактериального фотосинтеза.

Международная команда исследователей получила детальные изображения как мономерных, так и димерных форм суперкомплексов мембранных белков RC-LH1. Эти структуры выявили уникальные черты, отличающие R. blasticus от его близких родственников, что подчеркивает замечательное разнообразие фотосинтетических систем среди пурпурных бактерий.

Профессор Лунинг Лю, заведующий кафедрой микробной биоэнергетики и биоинженерии Ливерпульского университета, заявил: «Раскрывая эти природные фотосинтетические механизмы, мы открываем новые пути для проектирования более эффективных систем сбора света и преобразования энергии или клеток. Это исследование представляет собой значительный шаг вперед в нашем понимании того, как бактерии оптимизируют свой фотосинтетический аппарат, предоставляя ценную информацию, которая может способствовать будущим инновациям в области чистой энергии».

Уникальной особенностью димера RC-LH1 R. blasticus является его более плоская конформация по сравнению с аналогами других модельных видов. Эта структура лежит в основе специфической кривизны мембраны и эффективности переноса энергии у бактерий.

В отличие от некоторых родственных бактерий, в структуре RC-LH1 R. blasticus отсутствует белковый компонент PufY. Исследование показало, что его отсутствие компенсируется дополнительными светособирающими субъединицами, которые создают более замкнутую структуру LH1. Было установлено, что это влияет на скорость переноса электронов в структуре RC-LH1.

Это систематическое исследование, объединяющее структурную биологию, компьютерное моделирование (in silico) и спектроскопические исследования, дает новое представление о том, как собираются бактериальные фотосинтетические комплексы и опосредуется перенос электронов — ключевые процессы для производства энергии.

Ведущий исследователь Лю добавил: «Наши результаты демонстрируют структурное разнообразие фотосинтетических комплексов даже среди близкородственных видов бактерий. Эта изменчивость, вероятно, отражает различные эволюционные адаптации к конкретным условиям окружающей среды. Мы в восторге, что можем внести такие молекулярные детали в исследование механизмов и эволюции фотосинтеза».