Высокодетальное изображение фотосинтетического комплекса Arabidopsis

Впервые исследователям из Умео удалось с помощью криогенной электронной микроскопии получить высокодетальное изображение фотосистемы II — центрального комплекса фотосинтеза — модельного растения Arabidopsis. Этот огромный комплекс отвечает за жизненно важное производство кислорода в процессе фотосинтеза, которое когда-то сделало возможной жизнь на нашей планете. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

«Структура дает нам детальную информацию о различных кофакторах, таких как хлорофилл и липидные молекулы в фотосистеме II. Нам также удалось показать, где именно и как связываются детергенты и влияют на стабильность комплекса», — говорит Вольфганг Шрёдер, профессор кафедры химии Университета Умео, руководивший исследованием.

«Экспериментальной крысой» исследователей растений последние 25 лет служит резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Причина в том, что этот «сорняк» быстро растет даже на северных широтах Швеции, а в 2000 году исследователям удалось секвенировать все его гены.

В сердце процесса фотосинтеза находится комплекс Фотосистемы II. Он содержит почти 30 различных белков и ряд кофакторов, таких как различные пигменты и металлы, и, без сомнения, является одним из крупнейших комплексов в хлоропластах растений. Опубликованная в этом исследовании структура имеет такое же высокое разрешение, как и две предыдущие структуры, полученные из шпината и гороха, что впервые позволяет сравнить комплекс фотосистемы II растений с одинаковым уровнем детализации.

Технология, которую использовали исследователи, называется криогенная электронная микроскопия (Нобелевская премия по химии 2017 года). Вкратце, она означает, что биологические образцы мгновенно замораживают в жидком этане (-190 градусов Цельсия). Отбирается почти 100 000 двумерных изображений частиц ЭМ со случайных ориентаций. С использованием вычислительных ресурсов эта коллекция 2D-изображений затем может быть использована для реконструкции трехмерной структуры.

«Кроме того, было чрезвычайно интересно увидеть, были ли верны наши предыдущие биохимические анализы комплекса. Обычно привилегия публиковать структуры такого размера и разрешения доступна только более крупным исследовательским группам из разных лабораторий, так как это требует много данных, времени и усилий. В нашем случае эту структуру создали четверо исследователей из Умео в рамках сети Integrated Structural Biology (ISB), так что это "локальное" исследование», — говорит Вольфганг Шрёдер.