Учёные раскрыли механизм фотоактивации оранжевого каротиноидного белка
Фотосинтезирующим организмам необходим свет для преобразования неорганических соединений в органические. Однако избыток солнечной энергии может повредить фотосистемы и другие компоненты клетки. Специальные защитные белки преобразуют перевозбуждение в тепло в процессе нефотохимического тушения. Объект исследования, OCP, — один из таких защитников. Его впервые выделили в 1981 году из представителей древней группы фотосинтезирующих бактерий — цианобактерий. OCP состоит из двух доменов, формирующих полость, в которую встроен каротиноидный пигмент.
«Когда каротиноидная молекула поглощает свет, OCP может переходить из неактивной оранжевой формы в активную красную. Этот процесс многостадийный и следует сложной иерархии событий. Мы показали асинхронность этих изменений в предыдущей работе, но механизм самой первой стадии активации OCP, связанный с разрывом водородных связей между каротиноидом и белком, оставался нерешённым», — говорит д-р Евгений Максимов, старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН.
Учёные провели комплексное исследование методами структурной биологии, биохимии, спектроскопии и квантовой химии. Исследователи из ФИЦ Биотехнологии РАН создали «супер-оранжевую» версию OCP с уникальными спектральными и структурными свойствами и определили её кристаллическую структуру с самым высоким пространственным разрешением среди всех белков, связанных с OCP.
Анализ полученных данных показал, что в результате поглощения фотона в OCP может происходить реакция разделения зарядов вдоль водородной связи между молекулой каротиноида и одной из аминокислотных остатков белка. В темноте эта водородная связь стабилизирует оранжевое состояние OCP, но при освещении она быстро разрывается из-за перераспределения электронной плотности в молекуле каротиноида. В результате белок становится диполем, что приводит к изменению всей его структуры. Эта фотохимическая реакция описана для каротиноидов впервые.
«Наше открытие позволит управлять процессом активации OCP и его спектральными свойствами. Следовательно, это может привести к созданию новых светоуправляемых систем и «умных» биосовместимых материалов на основе фотоактивных белков для оптогенетики и функциональной визуализации», — говорит д-р Николай Случанко, ведущий научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН.