Исследование цианобактерий при азотном голодании
Ученые используют неразрушающее нейтронное рассеяние для изучения того, как одноклеточные цианобактерии производят кислород и получают энергию в процессе фотосинтеза.
Коллаборация Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США проводит эксперименты по изучению поведения фикобилисом — крупных антенных белковых комплексов в клетках цианобактерий. Исследования ведутся на приборе Bio-SANS (CG‑3) на реакторе HFIR. Фикобилисомы улавливают свет для запуска фотосинтеза, и лучшее понимание этого процесса может помочь в разработке более эффективных солнечных панелей и других искусственных структур, имитирующих природные системы.
Нейтроны позволяют анализировать эти хрупкие структуры, не повреждая их, и с большей пространственной точностью, чем методы вроде микроскопии.
«С помощью Bio-SANS мы можем в реальном времени наблюдать, что происходит на наноуровне в живой клетке», — говорит исследователь ORNL Хью О’Нил.
Фикобилисомы прикрепляются к клеточным мембранам, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Изменение антенных комплексов фикобилисом может иметь драматические и далеко идущие последствия для цианобактерий.
«Нас интересует модификация этих антенных систем и наблюдение за результирующими структурными изменениями», — говорит Мишель Либертон из Вашингтонского университета.
В ходе предыдущих экспериментов в ORNL команда искусственно изменяла фикобилисомы, удаляя определенные гены в клетках. Эти модификации вызывали структурные дефекты в клеточных мембранах и другие резкие изменения в физиологии клеток.
Теперь ученые естественным образом модифицируют антенные комплексы, лишая цианобактерии азота — питательного вещества, необходимого для их базовых функций. Этот процесс истощения заставляет антенну уменьшаться в размерах, что, в свою очередь, приводит к значительной клеточной реорганизации и модификациям в мембранных слоях.
Эта цепь событий происходит потому, что клетки расщепляют фикобилисомы и используют их в качестве альтернативного источника азота для выживания.
«Антенный комплекс фикобилисомы — это огромное хранилище микронутриентов в клетках, — объясняет Либертон. — Когда комплекс деградирует, клетки получают доступ к материалам, которые они больше не могут получить из окружающей среды».
Определяя масштабы этих изменений, команда надеется лучше понять взаимосвязь структуры и функции между клеточной организацией и естественной модификацией. Эти процессы можно немедленно обратить вспять, восстановив подачу азота в клетки.
Исследователи планируют сравнить эти результаты с данными генетических исследований, чтобы изучить различия между искусственными и естественными модификациями и их влияние на внутриклеточное строение цианобактерий.
Эти исследования поддерживаются Центром исследований фотосинтетических антенн (PARC) — финансируемым Министерством энергетики США Центром исследований энергетических рубежей, базирующимся в Вашингтонском университете с 2009 года. Центр объединяет международную сеть экспертов для изучения антенных систем и их роли в фотосинтезе.
«На фундаментальном уровне это исследование связано с тем, насколько эффективно природные системы используют солнечный свет», — говорит научный сотрудник прибора Bio-SANS и участник PARC Фолькер Урбан.
Такие идеи бесценны для участников PARC, стремящихся улучшить устойчивые технологии, вдохновленные природой.