Структурная основа эффективного улавливания сине-зелёного света и фотозащиты у диатомовых водорослей

Диатомовые водоросли — многочисленные фотосинтезирующие организмы в водной среде; они вносят 20% в глобальную первичную продуктивность. Их фукоксантин (Fx) хлорофилл (Chl) a/c-связывающие белки (FCP) обладают исключительными способностями к улавливанию света и фотозащите. Однако структура белков FCP и расположение пигментов в них оставались неизвестными.

Исследовательская группа из Ключевой лаборатории фотобиологии Института ботаники Китайской академии наук определила кристаллическую структуру белка FCP из морской пеннатной диатомеи Phaeodactylum tricornutum. Исследование под названием «Структурная основа для улавливания сине-зелёного света и рассеивания энергии у диатомей» было опубликовано в Science 8 февраля 2019 года.

Мембранный белок FCP был очищен в виде гомодимера из P. tricornutum и кристаллизован. Структура была определена методом рентгеновской дифракции с разрешением 1.8 Å, что показало, что каждый мономер FCP содержит семь Chl a, два Chl c, семь Fx, один диадиноксантин (Ddx), два катиона кальция и несколько молекул липидов.

По сравнению с антеннами для улавливания света у высших растений и зелёных водорослей, количество Chl в FCP значительно меньше, тогда как количество Fx намного больше, что приводит к гораздо более высокому соотношению Fx/Chl. Эти особенности, вместе с уникальным расположением пигментов, указывают на быструю энергитическую связь Chl c не только с Chl a, но и с Fx.

Кроме того, каждый Fx окружён одним или несколькими Chl, что обеспечивает основу для эффективного переноса энергии между ними, а также эффективного рассеивания избыточной энергии в условиях высокой освещённости. Среда связывания двух концевых групп каждого Fx показала различную гидрофильность в белковом каркасе, что предполагает различия в их предпочтительной области поглощения сине-зелёного света.

Одна молекула Ddx была определена в положении близко к границе раздела мономер-мономер со слабой электронной плотностью, что указывает на её лёгкую диссоциацию от апобелка и возможное участие в цикле деэпоксидации Ddx, который функционирует в рассеивании избыточной энергии.

«Сеть специфических пигментов, продемонстрированная первой и высокоразрешающей структурой FCP, раскрывает прочную основу для улавливания сине-зелёного света и суперфотохимического тушения у диатомей», — сказал профессор Шэнь Цзяньжэнь, автор-корреспондент этого исследования.

«Это исследование предоставляет новую модель для теоретического моделирования захвата и переноса энергии при фотосинтезе, а также может помочь в создании фотосинтезирующих организмов с улучшенными способностями к улавливанию света и фотозащите», — сказал Шэнь.