Новые данные о механизме фотопревращения фитохромов
Свет обеспечивает энергию для роста растений и других фотосинтезирующих организмов, что в конечном итоге дает метаболиты, питающие все остальные организмы на планете. Растения также полагаются на световые сигналы для развития своего фотосинтетического аппарата и синхронизации жизненных циклов с суточными и сезонными ритмами.
Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе раскрывает механизмы, с помощью которых белки фитохромы воспринимают свет и влияют на рост растений. Работа опубликована на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Фитохромы уникальны среди фоторецепторов, потому что существуют в двух стабильных, но взаимопревращаемых состояниях: неактивной форме, которая синтезируется в темноте, и другой, для активации которой требуется свет", — сказал Ричард Д. Виерстра.
"Измеряя пропорции этих двух форм по мере их взаимного переключения, фитохромы могут определять интенсивность света, его продолжительность, цвет и даже длину дня. Чем эти темновая и световая формы отличаются, оставалось загадкой, несмотря на 60 лет исследований".
Исследователи преодолели серьезное препятствие на пути к определению последовательности событий, обеспечивающих переход между световой и темновой формами.
Они обнаружили и охарактеризовали кристаллическую форму фоторецептора PixJ из цианобактерии Thermosynechococcus elongatus, которая позволяет обратимое фотопревращение между активной и неактивной формами. Кристаллы сохраняют целостность в процессе фотопревращения. Сета Бёрджи смогла собрать данные рентгеновской дифракции высокого разрешения, необходимые для идентификации промежуточных продуктов пути реакции, с помощью сложной техники — рентгеноструктурного анализа.
Теперь исследователи смогут использовать новейшие рентгеновские лазеры на свободных электронах для получения структурных "снимков" этого кристалла фитохрома — от момента первоначального поглощения света неактивным фоторецептором до достижения им полностью зрелого активного состояния. Этот процесс завершается за миллисекунду.
В предварительном тесте группа Виерстры смогла увидеть первое "движение" фоторецептора, когда часть его хромофора, улавливающая световую энергию, повернулась при фотоактивации.
"Другими словами, теперь должно быть возможно создать атомарно-разрешенный молекулярный фильм, описывающий структурные переходы фоторецептора", — сказала Бёрджи. "Теперь мы на пороге определения внутренних событий и последовательности физических изменений, происходящих в фитохромах при переходе между биологически неактивным и активным состояниями. Это в конечном итоге поможет ученым модифицировать растения для повышения их урожайности и устойчивости".
Понимание структурных основ цикла фотопревращения — важный шаг к разработке модифицированных фитохромов, которые наделят сельскохозяйственные культуры полезными светочувствительными свойствами.
"Кроме того, поскольку фитохромы воспринимают как свет, так и температуру, изменение их функции имеет большой потенциал для создания культур, лучше приспособленных к конкретным условиям, и может помочь расширить ареал их выращивания", — добавил Виерстра.