Ученые определили структуру, позволяющую цианобактериям процветать при слабом свете

Ученые определили структуру белкового комплекса, который дает цианобактериям уникальную способность преобразовывать слабый, отфильтрованный солнечный свет в полезную энергию. Эти открытия в будущем могут быть использованы для создания сельскохозяйственных культур, которые хорошо растут в условиях низкой освещенности.

Цианобактерии — крошечные фотосинтезирующие организмы, обитающие практически повсеместно, — помогли создать богатую кислородом атмосферу Земли и продолжают производить значительную часть необходимного нам кислорода.

Когда цианобактерии живут в условиях слабого освещения, например, под поверхностью пруда или в лесной подстилке, некоторые из них способны переключаться с использования видимого света, наиболее благоприятного для их роста и фотосинтетической активности, на улавливание более слабого дальнего красного света, который до них доходит. Эта уникальная способность дает цианобактериям адаптивное преимущество, и они ответственны за 50% всей фотосинтетической активности на планете.

В исследовании команда, включавшая ученых из Biodesign Center for Applied Structural Discovery Университета штата Аризона, изучила Fischerella thermalis — наземную цианобактерию, используемую как модельный организм для изучения фотосинтеза. Как и все цианобактерии, F. thermalis богата хлорофиллом — пигментом, ответственным за поглощение света. Согласно данным, обычный для F. thermalis хлорофилл a частично заменяется в условиях дальнего красного света на химически отличную форму молекулы, известную как хлорофилл f.

Чтобы понять этот феномен, ученые использовали криогенную электронную микроскопию (Cryo-EM) для определения структуры фотосистемы I F. thermalis — одного из двух белковых комплексов, ответственных за фотосинтез. Cryo-EM позволила наблюдать расположение молекул хлорофилла f. Было идентифицировано четыре сайта, где эти молекулы могут связываться и становиться функциональными.

Синтезируя и включая около 8% хлорофилла f в свои комплексы фотосистемы I, F. thermalis способна осуществлять фотосинтез, используя дальний красный свет длиной волны до почти 800 нанометров.

Результаты исследования опубликованы 5 февраля в журнале Science Advances.

Ранее было обнаружено, что другой белок в клетках цианобактерий определяет длину волны падающего света и активирует производство модифицированного фотосинтетического аппарата, когда дальний красный свет преобладает над видимым.

Исследования показывают, что, возможно, 25% всех цианобактерий, включая обычные почвенные организмы, обладают этой способностью. Это означает, что около одной восьмой части кислорода на Земле производится организмами с такой адаптацией.

Открытия команды предполагают интересные возможности для будущего применения. Например, культуры потенциально можно модифицировать для контроля их светопоглощающих свойств в зависимости от условий освещения. Кроме того, две культуры можно выращивать вместе: более низкие (например, люцерна) могли бы использовать дальний красный свет в тени более высоких культур (например, кукурузы). Такая стратегия могла бы удвоить урожайность с единицы площади.