Структура фикобилисомы цианобактерий показывает, как блокируется избыточное поглощение света
Фотосинтезирующие организмы используют свет как источник энергии, но иногда его бывает слишком много.
Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе раскрывает структуру светособирающей антенны цианобактерий (сине-зелёных водорослей), включая ключевые особенности, которые как собирают энергию, так и блокируют её избыточное поглощение. Исследование, опубликованное 6 января в Science Advances, даёт информацию, важную для будущих энергетических приложений.
Учёные создали модель крупного белкового комплекса — фикобилисомы, которая собирает и передаёт световую энергию. Фикобилисомы позволяют цианобактериям использовать иные длины волн света, чем другие фотосинтезирующие организмы (например, наземные зелёные растения).
Эта способность значительно увеличивает общую продуктивность фотосинтеза во всём солнечном спектре, но сопряжена с риском.
«Для цианобактерий избыточное поглощение света неизбежно — и иногда летально», — говорит Хайцзюнь Лю, научный сотрудник кафедры химии.
Ключевое открытие — выявлены интересные структурные особенности в интерфейсе, где происходит передача и регуляция энергии. Один из регуляторных процессов, называемый нефотохимическим тушением, осуществляется белком оранжевым каротиноидным белком (ОКБ). Высокое разрешение структуры фикобилисомы позволит детально понять такие процессы.
Хотя было известно, что ОКБ защищает цианобактерии в условиях яркого света, не было ясной картины всех структурных особенностей и того, где и как ОКБ располагается в живой клетке.
«Мы были поражены, когда впервые получили текущую модель, — сказал Лю. — Мы мгновенно заметили, что неактивный ОКБ может получить доступ — или просто плотно вписаться — в свободное пространство между фикобилисомой и фотосистемой II (ФСII) (комплексом, получающим энергию от фикобилисомы для фотохимических реакций). Там он готов к рекрутированию или активации сигналами окружающей среды».
Методология: Структура была собрана командой аналитических биохимиков и структурных биологов Вашингтонского университета, включая Химадри Пакраси. Они использовали структурную протеомику в сочетании с структурным моделированием — метод, разработанный Лю в лаборатории Пакраси.
Эта фундаментальная работа объясняет, как живые организмы максимизируют эффективность фотосинтеза на ранних этапах. Она также поддерживалась Центром исследований фотосинтетических антенн (PARC) при университете — одним из 46 Исследовательских центров энергетических рубежей Министерства энергетики США (DOE).
Новые данные помогут в будущем проектировать биогибридные или синтетические системы, использующие энергию света.