Картирование «следов повреждений» позволяет исследователям проследить путь воды в Фотосистеме II

Исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе проследили пути трёх водных каналов в древнем фотосинтезирующем организме, проведя первое всестороннее экспериментальное исследование того, как этот организм использует и регулирует воду для создания энергии.

Фотосинтез — это преобразование солнечного света в химическую энергию через цепь переноса электронов, необходимую почти для всей жизни на нашей планете. Все растения, а также водоросли и некоторые виды бактерий осуществляют фотосинтез.

Химадри Б. Пакраси, Майрон и Соня Глассберг/Альберт и Бланш Гринсфельдер, заслуженный университетский профессор и директор Международного центра энергетики, окружающей среды и устойчивого развития, постдокторант Дэниел А. Вайс и Майкл Л. Гросс, профессор химии, изучили прародителя всех фотосинтезирующих организмов — штамм цианобактерий — чтобы создать первую экспериментальную карту водного мира этого организма.

Это открытие продвигает исследования фотосинтеза, а также представляет собой шаг вперёд в исследованиях зелёного топлива:

Для преобразования солнечного света в полезную форму энергии фотосинтезирующим организмам требуется вода в «активном центре» белкового комплекса Фотосистемы II. Однако каналы, по которым вода поступает к активному центру, трудно измерить экспериментально. Реактивные формы кислорода образуются в активном центре и движутся от него в направлении, противоположном движению воды, оставляя за собой «след повреждений».

«Мы идентифицировали повреждённые участки в Фотосистеме II с помощью высокоразрешающей масс-спектрометрии и обнаружили, что они выявляют несколько путей, сходящихся в активном центре и ведущих от него к поверхности комплекса», — сказал Вайс, ведущий автор статьи, опубликованной 17 ноября в журнале Science Advances. «Мы предполагаем, что эти пути представляют собой каналы внутри комплекса, которые могут использоваться для доставки воды к активному центру».

«Фотосистема II имеет очень сложный механизм, и крайне важно понимать её процессы и эволюцию», — сказал Пакраси, который более 25 лет интенсивно изучает цианобактерии. «Растёт интерес к зелёной энергии, и наши знания о поведении этого фермента когда-нибудь могут быть использованы для создания искусственной системы, имитирующей реальный фермент, чтобы производить большое количество устойчивой энергии».

Активный центр Фотосистемы II — это кластер ионов марганца, кальция и кислорода, глубоко погребённый внутри комплекса, вдали от водной среды клетки. Исследователи давно предполагали, что активный центр, или марганцевый кластер, должен иметь систему каналов, и теоретические модели, сгенерированные на суперкомпьютерах, предсказывали их существование. Но движение воды трудно охарактеризовать экспериментально.

Исследователи выбрали окольный путь для определения каналов. «След повреждений» состоит из 36 аминокислотных остатков, принадлежащих по сути трём белкам, обнаруженным рядом с марганцевым кластером с помощью высокоточного масс-спектрометра химика Гросса, который был со-руководителем докторской диссертации Вайса вместе с Пакраси. Эти повреждающие реактивные формы кислорода, также известные как радикалы, исходят из кластера и рассеиваются наружу, в сторону водной среды клетки. Радикалы проходят через Фотосистему II, как торнадо, атакуя и повреждая ближайшие аминокислотные компоненты Фотосистемы II, которые встречаются им на пути.

Поскольку радикалы и вода обладают схожими свойствами, такими как размер и гидрофильность, исследователи предполагают, что пути следов повреждений, идущие от кластера наружу, очень похожи на пути, по которым вода движется внутрь к активному центру.

«Мы непосредственно наблюдаем пути, по которым движутся радикалы, а не вода», — сказал Вайс. «Но учитывая схожие свойства радикалов с водой, а также предыдущие результаты компьютерного моделирования, мы считаем, что эти пути совпадают с теми, по которым вода движется внутрь».

Такой подход к обнаружению водных каналов считается косвенным, поскольку он основан на движении высокореактивных радикалов, а не самой воды.

Этот косвенный метод, по словам Вайса, «похож на оставление хлебных крошек вдоль тропы в лесу. Если кто-то сможет найти крошки, он сможет повторить путь, пройденный из леса».

Исследователи смогли идентифицировать множество повреждённых остатков благодаря невероятной точности, скорости и чувствительности масс-спектрометра Гросса. «С более ранними приборами, которые были медленнее и менее чувствительны, было сложнее уверенно идентифицировать большое количество повреждённых участков», — сказал Вайс. «Мощные возможности этого прибора позволили нам получить эти результаты».

«Цианобактерии — предшественники хлоропластов в растениях», — сказал Пакраси. «Фотосистема II консервативна у всех оксигенных фотосинтезирующих организмов. Мы точно знаем, что природа создала эту машину только один раз, а затем перенесла её из цианобактерий в водоросли и растения».