Понимание генерации энергии в фотосинтезе может привести к созданию более устойчивых культур

Исследование процесса производства энергии в растениях может помочь в создании культур, более устойчивых к стрессу, или бактерий, производящих фармацевтические препараты.

Группа исследователей под руководством Имперского колледжа Лондона и Лондонского университета королевы Марии составила карту ключевого процесса преобразования энергии в растениях.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, может помочь ученым повысить устойчивость важных сельскохозяйственных культур и создать бактерии, способные более устойчиво производить полезные соединения, такие как фармацевтические препараты.

Все клетки, будь то растительные или животные, используют химическое соединение аденозинтрифосфат (ATP) в качестве своей энергетической валюты. Животные, такие как люди, производят ATP в процессе дыхания, тогда как растения используют фотосинтез для преобразования солнечного света в ATP.

В растительных клетках существует промежуточный этап этого процесса, когда световая энергия используется для создания «протонного градиента», который затем помогает создать ATP. Протонный градиент подобен высоте воды в гидроэлектростанции — это форма «потенциальной энергии», которая затем преобразуется в химическую энергию в виде ATP.

Однако то, как изначально создается протонный градиент, изучено плохо. Это особенно верно для одной части молекулярного механизма, который растения используют в этом процессе, — фотосинтетического комплекса 1 (PS-C1).

Картирование переноса электронов

Исследователям известно, что растения, включая многие важные сельскохозяйственные культуры, используют PS-C1 для увеличения производства ATP в периоды высокого стресса, что помогает им продолжать расти в сложных условиях, таких как низкая освещенность, засуха или высокие температуры.

Теперь команда, стоящая за новым исследованием, выяснила, как работает процесс переноса электронов, необходимый для создания протонного градиента в PS-C1. Это дает ключевую информацию о том, как растения и фотосинтезирующие бактерии могут получать дополнительную энергию.

Ведущий исследователь доктор Макси Рёсслер с химического факультета Имперского колледжа сказала: «Этим исследованием мы вносим вклад в понимание того, как клетки преобразуют потенциальную энергию в протонных градиентах в химическую энергию — процесс, который лежит в основе почти всей жизни на Земле».

Со-руководитель доктор Гай Хэнк из Лондонского университета королевы Марии добавил: «В конечном счете, мы надеемся, что понимание того, как работает PS-C1, позволит нам и другим исследователям манипулировать фотосинтезирующими бактериями для биотехнологических целей. Это может включать поддержку энергетических потребностей, необходимых для производства высокоценных соединений, таких как фармацевтические препараты, более устойчивым способом».

Исследовательская группа надеется, что лучшее понимание PS-C1 в конечном итоге поможет создать культуры, которые смогут лучше противостоять стрессам, вызванным изменением климата, таким как колебания температуры и засуха.

Использование дополнительных энергетических ресурсов

PS-C1 встроен в мембрану хлоропластов растений, что позволяет ему контролировать движение молекул через мембрану. Исследователи знали, что PS-C1 должен действовать как «протонный насос» для создания протонного градиента через мембрану, но то, как он это делает, было трудно изучить, поскольку PS-C1 является очень большой и сложной молекулярной машиной.

Чтобы изучить PS-C1, команда использовала метод электронного парамагнитного резонанса (EPR) для картирования положения одиночных (неспаренных) электронов. Перенос электронов между частями PS-C1 обеспечивает движение протонов, поэтому картирование пути переноса электронов помогает понять, как протоны движутся через мембрану.

Команда надеется, что это фундаментальное исследование откроет путь к более глубокому пониманию того, как работает эта молекулярная машина, и потенциальных способов использования ее способности создавать дополнительные энергетические ресурсы для растений и бактерий, использующих фотосинтез.

Статья «Функциональная основа переноса электронов в фотосинтетическом комплексе I» Кэтрин Ричардсон и др. опубликована в Nature Communications.