К истокам фотосинтеза

Одной из важнейших областей биологии является эволюция фотосинтеза. Некоторые виды одноклеточных цианобактерий в процессе фотосинтеза навсегда изменили атмосферу ранней Земли, наполнив её кислородом, что позволило огромному расширению возможностей для жизни на планете.

Кардона и др. в онлайн-издании Molecular Biology and Evolution исследовали эволюционное происхождение белка D1 у цианобактерий, который составляет основу Фотосистемы II — «кислород-выделяющей машины» фотосинтеза. Роль Фотосистемы II — получение электронов для фотосинтеза путём их извлечения из воды с выделением кислорода в качестве побочного продукта. Команда отобрала все известные последовательности D1 у цианобактерий, а также представителей от водорослей и растений для сравнения вариаций белковой последовательности.

Они показали, что D1 существует как минимум в 5 основных формах, некоторые из которых могли возникнуть до эволюции окисления воды. Это позволило команде построить детальное эволюционное древо и предложить последовательность событий для возникновения расщепления воды в Фотосистеме II с беспрецедентной детализацией. Самая ранняя дивергирующая форма D1 сохранила предковые характеристики и была обнаружена в недавно секвенированном геноме Gloeobacter kilaueensis JS-1 (найденного в лавовой пещере на Гавайях), вероятно, одного из самых примитивных типов известных цианобактерий.

Замечательное эволюционное новшество произошло около 3,2–2,7 миллиарда лет назад у бактериального предка цианобактерий, став возможным благодаря ключевым переходным формам D1. Их данные свидетельствуют, что расщепление воды могло эволюционировать относительно быстро после всего нескольких изменений в предковом белке D1 Фотосистемы II. Этот предок содержал несколько форм D1 и мог быть гораздо сложнее, чем считалось ранее, уже высокоспециализированным для солнечно-заряженного окисления воды.

«Я думаю, наиболее важным следствием работы является то, что теперь эволюцию биологического окисления воды можно изучать экспериментально», — сказал Кардона. — «Вполне возможно, что у современных цианобактерий Фотосистема II, использующая эти предковые формы D1, может проявлять черты и осуществлять химические реакции, напоминающие те, что были у переходных форм до эволюции эффективного расщепления воды, как мы его понимаем сегодня. Изучение этих альтернативных фотосистем не только даст представление об эволюции процесса, но также может дать ключи к условиям окружающей среды, где впервые возник оксигенный фотосинтез миллиарды лет назад на ранней Земле».