Новое понимание фотосинтеза

Механизм реакции водорослей и растений на свет был пересмотрен на основе экспериментов, изучающих структурные изменения в зелёных водорослях в реальном времени. В определённых световых условиях во время фотосинтеза упорядоченная укладка и ориентация светочувствительных мембран (тилакоидов) в водорослях нарушается. При этом не происходит значительного перемещения встроенных в мембрану белков светособирающих комплексов (LHCII), которые в основном переходят в неактивное, рассеивающее энергию состояние. Эти новые данные противоречат широко принятой точке зрения, согласно которой белки LHCII должны перемещаться по мембранам.

Результаты исследований учёных из Института Пауля Шеррера (PSI) и их коллег из Японии, Франции и Венгрии опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Фотосинтез и адаптация к свету

Растениям и водорослям необходимо адаптироваться к разным условиям освещения. Для балансировки поглощения энергии двумя фотосистемами существует сложный регуляторный механизм — state transitions (переходы между состояниями). Дисбаланс в поглощённой энергии может повредить фотосистемы.

Новая модель переходов между состояниями

Данные позволили предложить общую модель для водорослей, объясняющую молекулярный механизм и структурные изменения:

• Переходы между состояниями меняют укладку и периодичность тилакоидных мембран, а также белок-белковые взаимодействия внутри них.
• Один из светособирающих белков (LHCII) переходит в неактивный, рассеивающий энергию режим.
• Перемещение белков LHCII внутри мембраны незначительно. Это противоречит предыдущей идее о масштабном (до 80% у некоторых микроводорослей) перемещении белков между фотосистемами.

Метод: рассеяние нейтронов

Исследование проводилось на живых клетках зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii в естественной среде с использованием комплекса неинвазивных методов:

• Малоугловое рассеяние нейтронов (SANS) — основной метод.
• Круговой дихроизм и спектроскопия поглощения и флуоресценции с временным разрешением.

Преимущества нейтронного рассеяния: неразрушающий метод, не требующий окрашивания или фиксации образца. Позволяет получать точную структурную информацию в диапазоне от нанометров до микрометров и наблюдать изменения в реальном времени.

Эксперименты по рассеянию нейтронов проводились на источниках Institut Laue-Langevin (Франция) и SINQ в PSI (Швейцария).