Фотосинтез: Живые лаборатории
Биологи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) Марсель Данн и Дарио Лейстер впервые продемонстрировали, что цианобактерии и растения используют схожие механизмы и ключевые белки для регуляции циклического потока электронов при фотосинтезе.
Роль циклического потока электронов
Циклический поток электронов (ЦПЭ) — важнейший компонент фотосинтеза как у растений, так и у цианобактерий. Однако до сих пор было неясно, чем он отличается от линейного потока электронов (ЛПЭ) и какие компоненты у них общие. Теперь Марсель Данн и Дарио Лейстер показали, что два специфических белка, PGRL1 и PGR5, опосредуют контроль ЦПЭ у растений. Энергии (в форме АТФ), генерируемой ЛПЭ, недостаточно для синтеза сахаров из CO2. АТФ, производимый циклическим потоком, восполняет этот дефицит и жизненно важен для фиксации углерода. «Когда ЦПЭ нарушен, растения очень быстро заболевают», — говорит Лейстер.
Цианобактерии как модель
Поскольку ЦПЭ крайне сложно измерить напрямую у растений, Данн и Лейстер обратились к цианобактериям, у которых также есть путь ЦПЭ. Хлоропласты растений произошли от цианобактерий в ходе эволюции, поэтому их молекулярные механизмы регуляции ЦПЭ схожи, но значительно менее сложны. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, авторы ввели гены, кодирующие растительные белки PGRL1 и PGR5, в различные мутантные штаммы бактерий и проанализировали их влияние на фотосинтез. «Мы были удивлены, обнаружив, что можем измерить нечто, очень похожее на циклический транспорт электронов», — говорит Лейстер. Это доказывает ключевую роль этих белков в ЦПЭ. Более того, их оказалось достаточно для восстановления ЦПЭ у мутантных цианобактерий.
Открытие аналога PGRL1
Это особенно примечательно, потому что у цианобактерий нет PGRL1, хотя у них есть PGR5-подобный белок. Исследователи нашли возможный ответ на эту загадку. Они показали, что у цианобактерий есть второй белок, Sll1217, который, по-видимому, выполняет функцию, аналогичную PGRL1 у растений. Хотя Sll1217 демонстрирует очень низкое структурное сходство с растительным PGRL1, он взаимодействует с PGR5 как растений, так и цианобактерий. Данн и Лейстер первыми предположили функцию Sll1217 в ЦПЭ.
Практическое применение
Дарио Лейстер планирует использовать эти новые знания на практике. Его новый проект «PhotoRedesign», получивший грант Synergy Grant от Европейского исследовательского совета (ERC), направлен на улучшение фотосинтетической эффективности. «Мы пытаемся превзойти природу, комбинируя лучшие элементы разных систем фотосинтеза», — говорит Лейстер. Генетически модифицированные цианобактерии предоставляют новые возможности для экспериментов. «В бактериях мы можем экспериментально изменить растительную версию циклического транспорта электронов с помощью генетических манипуляций за несколько недель, — отмечает Лейстер. — Изменённый штамм цианобактерий — это как живая лаборатория, позволяющая экспериментировать с процессом ЦПЭ. Такие эксперименты на растениях заняли бы годы». Решения, работающие на цианобактериях, затем можно опробовать на растениях.