Белок-«предохранительный клапан» защищает фотосинтез от избытка света

Фотосинтетическим организмам необходимо справляться с широким диапазоном интенсивности света, которая может меняться за секунды или минуты. Избыток света может повредить фотосинтетический аппарат и вызвать гибель клеток. Учёные из Института Карнеги в составе международной группы обнаружили, что специфические белки в водорослях могут действовать как «предохранительный клапан», рассеивая избыток поглощённой световой энергии до того, как она нанесёт вред клеткам.

Исследование, проведённое в основном Грэмом Пирсом в лаборатории Кришны Ниоги из Калифорнийского университета в Беркли с участием учёных из Мюнстерского университета (Германия), использовало мутантный штамм одноклеточной зелёной водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Этот штамм, первоначально выделенный в Институте Карнеги, показал, что специфический белок из семейства светособирающих белков играет критическую роль в устранении избытка поглощённой световой энергии. Мутант, лишённый этого белка, обозначенного как LHCSR, сильно страдал при воздействии колеблющихся световых условий.

«Фотосинтетические организмы должны уметь управлять поглощённой световой энергией, — говорит соавтор исследования Артур Гроссман из Отдела биологии растений Института Карнеги. — И белки LHCSR, по-видимому, критически важны для водорослей, чтобы рассеивать поглощённую световую энергию в виде тепла при колебаниях уровня света в окружающей среде, когда он становится потенциально токсичным».

Гроссман отмечает, что фотосинтетические организмы выработали ряд различных механизмов для управления поглощением световой энергии, и эти механизмы могут быть адаптированы к разнообразию сред, в которых эволюционировали организмы. Некоторые эволюционировали в пустынях, где уровни света и температуры могут быть очень высокими, а другие — в высокогорных условиях, где уровни света могут быть очень высокими, а температуры — очень низкими.

«По мере того как мы лучше понимаем, как окружающая среда влияет на эволюцию фотосинтетического аппарата, мы, возможно, сможем внедрить специфические механизмы в растения, чтобы они лучше управляли поглощённой световой энергией. Это, в свою очередь, позволило бы им выживать в более суровых условиях окружающей среды, — говорит Гроссман. — Это принесло бы очевидную пользу для сельского хозяйства».

Он также отмечает текущий интерес к использованию водорослей для производства биотоплива и возможность выращивания водорослей в пустынях, где солнечная энергия может быть чрезвычайно высокой.

«Если мы собираемся попытаться это сделать, мы должны убедиться, что используем правильные водоросли, которые могут процветать и производить масла на высоком уровне в суровых условиях окружающей среды. Возможно, мы также сможем настроить различные особенности фотосинтетического аппарата, чтобы водоросли использовали световую энергию более эффективно и меньше страдали от повреждений при чрезвычайно высоких уровнях света и температуры. Но я хотел бы подчеркнуть, что создание таких устойчивых, коммерчески жизнеспособных штаммов сопряжено со множеством экстремальных проблем».

Исследование опубликовано в выпуске журнала Nature от 26 ноября.