Ученые раскрыли «чертеж» для фотосинтеза в цианобактериях

Новое исследование микробов-цианобактерий, проведенное учеными из Университета штата Мичиган, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Южной Чехии и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, предоставило самую детальную на сегодняшний день картину важных биологических «антенн».

Эти структуры, называемые фикобилисомами, эволюционировали для улавливания солнечной энергии в процессе фотосинтеза, но они принадлежат не растениям, а цианобактериям. Эти микробы — эволюционные потомки первых организмов на Земле, способных превращать солнечный свет, воду и CO₂ в сахара и кислород.

Работа, опубликованная 31 августа в журнале Nature, сразу проливает новый свет на микробный фотосинтез, в частности, на то, как световая энергия захватывается и передается для питания преобразования CO₂ в сахара. В перспективе эти данные могут помочь в борьбе с вредоносным цветением воды, разработке искусственных фотосинтетических систем для возобновляемой энергии и использовании микробов в устойчивом производстве.

«Существует большой интерес к использованию цианобактерий в качестве фабрик на солнечной энергии... С таким чертежом, как в нашем исследовании, можно начать думать о настройке и оптимизации светособирающего компонента фотосинтеза», — говорит Шерил Керфельд, профессор структурной биоинженерии.

Прорыв в визуализации

Фикобилисомы — это сложные комплексы пигментов и белков. Десятилетиями ученые пытались визуализировать их отдельные блоки, но хрупкость структур не позволяла получить высокодетальные изображения целых антенн.

Теперь, благодаря международной команде и прогрессу в технике криоэлектронной микроскопии, структура светособирающей антенны цианобактерий определена с почти атомарным разрешением.

«Эта работа — прорыв в области фотосинтеза. Полная светособирающая структура антенны цианобактерий отсутствовала до сих пор», — заявил Пол Сауэр, соавтор исследования.

Ключевые открытия

В 12-страничной статье команда задокументировала несколько важных результатов:

• Обнаружен новый белок фикобилисомы.
• Наблюдены два новых способа ориентации светоулавливающих «стержней» фикобилисомы.
• Получен ответ на давний вопрос о фотозащите.

Ранее было известно, что при избытке света фикобилисома связывает молекулы оранжевых каротиноидных белков (OCP), которые рассеивают лишнюю энергию в виде тепла, защищая систему от «перегорания». Однако оставались споры о количестве и локализации сайтов связывания OCP. Новое исследование дает ответы на эти фундаментальные вопросы.

«Это было долгое путешествие, полное приятных сюрпризов», — говорит Мария Агустина Домингес-Мартин, инициатор исследования.

Практические перспективы

1. «Умная» фотозащита: Понимание полной картины работы «предохранителя» позволяет разрабатывать способы инженерии менее расточительной системы фотозащиты, которая быстрее отключается после выполнения своей задачи.
2. Борьба с цветением: Понимание того, как цианобактерии собирают и защищаются от солнечной энергии, может подсказать новые идеи для борьбы с вредоносным цветением воды, производящим токсины.
3. Биоинженерия: «Чертеж» фикобилисомы открывает возможности для использования цианобактерий в качестве солнечных фабрик для производства биопродуктов из CO₂ и света.

Исследователи подчеркивают, что работа не только дает ответы, но и открывает новые вопросы, прокладывая путь для будущих открытий.

«Мы ответили на некоторые вопросы, но открыли двери для других, и для меня это и есть прорыв. Я с нетерпением жду, как область будет развиваться отсюда», — заключила Домингес-Мартин.