Структурные изменения в фотосистемах I и II, позволяющие рост в дальнем красном свете
Исследователи под руководством учёных из Университета штата Пенсильвания определили локализацию изменений в фотосинтетическом аппарате некоторых цианобактерий, которые позволяют организмам расти, используя дальний красный свет. С помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) высокого разрешения учёные точно определили места в двух фотосистемных комплексах цианобактерий, где присутствуют альтернативные версии пигментов хлорофилла. Эти альтернативные формы настроены на более длинные волны, что позволяет цианобактериям эффективно использовать дальний красный свет для кислород-выделяющего фотосинтеза. Учитывая, что энергия дальнего красного света эквивалентна 15% от общего солнечного излучения, достигающего Земли, эта способность даёт организмам преимущество в конкуренции за свет с растениями и другими цианобактериями.
Структуры описаны в двух статьях, опубликованных в Journal of Biological Chemistry. Эти данные могут в перспективе помочь в создании сельскохозяйственных культур, способных использовать более широкий спектр длин волн света для роста.
Цианобактерии — это бактерии, получающие энергию за счёт кислород-продуцирующего фотосинтеза. При выращивании в обычных условиях "белого" (видимого) света (от ~400 нм до ~700 нм) они улавливают свет в основном с помощью хлорофилла a, который поглощает свет с длиной волны до максимум ~700 нм. При выращивании в дальнем красном свете (до ~800 нм) некоторые наземные цианобактерии преобразуют часть хлорофилла a в хлорофиллы d и f, поглощающие свет с большей длиной волны. Это даёт организмам возможность улавливать дальний красный свет и эффективно использовать его для фотосинтеза, позволяя процветать в условиях низкой или фильтрованной освещённости.
Высокое разрешение для обнаружения малых различий
Было известно, что фотосистема I содержит 7–8 молекул хлорофилла f, а фотосистема II — одну молекулу хлорофилла d и 4–5 молекул хлорофилла f, наряду с примерно 90% исходного хлорофилла a. Однако определить, где именно в комплексах происходят эти изменения, было сложно из-за их большого размера и незначительности химических различий.
Разница между хлорофиллом a и f заключается лишь в том, что два атома водорода заменены на атом кислорода в молекуле состава C55H72MgN4O5. В таких крупных комплексах, как фотосистема I (почти 100 молекул пигментов, 11 белковых субъединиц) или фотосистема II (35 хлорофиллов, 20 белковых субъединиц), эти малые изменения подобны поиску иголки в стоге сена.
Использование крио-ЭМ позволило достичь очень высокого разрешения структуры для комплекса фотосистемы II — 2.25 ангстрема (Å), что дало возможность визуализировать различия в некоторых хлорофиллах напрямую. Применяя этот и другие методы к структурам, определённым с помощью крио-ЭМ, исследователи смогли идентифицировать локализацию молекул хлорофилла f в обоих фотосистемных комплексах, а также положение единственной молекулы хлорофилла d в фотосистеме II.
Перспективы применения
Идентификация структурной основы поглощения дальнего красного света в природе — важный шаг вперёд. Определение точных мест в комплексах фотосистем I и II, где инкорпорированы альтернативные формы хлорофилла, может открыть двери для будущих приложений:
- Культуры потенциально можно будет модифицировать для улавливания света за пределами видимого спектра.
- Две культуры потенциально можно будет выращивать вместе: низкорослые культуры смогут использовать фильтрованный дальний красный свет в тени более высоких культур.
- Растения можно будет сажать ближе друг к другу благодаря лучшему захвату света в листьях под пологом.