Открытие в области фотосинтеза может помочь в создании биотехнологий нового поколения
Исследователи из Университета Квинсленда (UQ) и Мюнстерского университета (WWU) очистили и визуализировали суперкомплекс «циклического потока электронов» (CEF) — критически важную часть фотосинтетического аппарата всех растений. Это открытие может помочь в разработке биотехнологий нового поколения на основе солнечной энергии.
Результаты, полученные в сотрудничестве с международной командой учёных из университетов Базеля, Окаямы и Нового Южного Уэльса, опубликованы в Proceedings of the National Academies of Sciences и дают новое представление о процессе фотосинтеза на молекулярном уровне.
«К 2050 году нам потребуется на 50% больше топлива, на 70% больше пищи и на 50% больше чистой воды. Технологии на основе фотосинтезирующих микроводорослей могут сыграть важную роль в удовлетворении этих потребностей», — говорит профессор Бен Ханкамер из Института молекулярной биологии UQ, директор Центра солнечной биотехнологии. Развитию таких технологий будет способствовать лучшее понимание того, как эти организмы улавливают и запасают солнечную энергию на молекулярном уровне.
За три миллиарда лет растения, водоросли и цианобактерии развили сложные наномеханизмы, позволяющие им осуществлять фотосинтез — процесс, при котором солнечная энергия захватывается и запасается в виде химической энергии.
Эта химическая энергия существует в форме молекул АТФ и НАДФН, которые необходимы для множества клеточных процессов.
«АТФ и НАДФН позволяют фотосинтезирующим организмам расти, а в процессе роста они производят атмосферный кислород, а также пищу и топливо, поддерживающие жизнь на Земле», — говорит профессор Хипплер из Института биологии и биотехнологии растений WWU.
Фотосинтез протекает в двух режимах: линейный поток электронов (LEF) и циклический поток электронов (CEF). Для эффективной работы в постоянно меняющихся световых условиях организм должен балансировать поглощаемый свет с необходимой энергией (АТФ и НАДФН). Это достигается за счёт постоянной тонкой настройки уровней этих двух режимов относительно друг друга.
«Были получены биохимические доказательства, что крупная макромолекулярная сборка, называемая суперкомплексом циклического потока электронов (CEF), играет критическую роль в этом процессе настройки. Однако из-за его динамической природы было трудно очистить этот суперкомплекс для определения структуры», — говорит профессор Ханкамер.
Чтобы решить эту задачу, команда использовала сложные методы для очистки и характеристики суперкомплекса CEF из микроводорослей, а затем проанализировала его структуру с помощью электронной микроскопии.
Исследователи кропотливо проанализировали около полумиллиона белковых комплексов, извлечённых из микроводорослей, в поисках суперкомплекса. Лишь около тысячи из них оказались суперкомплексом CEF.
Структурный анализ показал, как светособирающие комплексы, фотосистема I и компоненты цитохрома b6f собираются в суперкомплекс CEF, и как их расположение позволяет им динамически соединяться и разъединяться для выполнения различных функций. Это позволяет организму адаптироваться к меняющимся световым условиям и энергетическим потребностям.
Эта информация, дополненная другими экспериментальными данными, позволила исследователям предложить новую гипотезу о работе суперкомплекса CEF.
«Суперкомплекс CEF — отличный пример эволюционно высококонсервативной структуры», — говорит профессор Хипплер, объясняя, что он, по-видимому, консервативен у многих растений и водорослей и, вероятно, не менялся значительно в течение миллионов лет.
«Эта работа имеет центральное значение для усилий Центра солнечной биотехнологии по разработке биотехнологий и отраслей нового поколения», — поясняет профессор Ханкамер.
Центр расширился и теперь включает 30 международных команд из Европы, Азии, США, Австралии и Новой Зеландии. Он занимается разработкой биотехнологий нового поколения на основе солнечной энергии, использующих фотосинтезирующие зелёные водоросли.
Команда стремится оптимизировать фотосинтетический аппарат зелёных водорослей для создания технологий, которые помогут удовлетворить растущие мировые потребности в энергии, пище и воде. Сводки программ Центра можно найти по адресу https://imb.uq.edu.au/solar#qt-qt\_centre\_solar-foundation-tabs-1.
«Для достижения этих целей нам необходимо понимать, как фотосинтетические процессы работают на молекулярном уровне», — говорит он.
Новая информация поможет в разработке технологий захвата солнечной энергии следующего поколения на основе микроводорослей, а также широкого спектра биотехнологий и отраслей, работающих на солнечной энергии, для производства высококачественной продукции, пищи, топлива и чистой воды. Извлечение CO2 из атмосферы, его утилизация и хранение также являются перспективными областями по мере разработки международным сообществом решений для борьбы с изменением климата.