Крио-ЭМ выявляет неожиданное разнообразие фотосистем

Исследовательница Аннемари Перес Боэрема из лаборатории Алексея Амунтса в сотрудничестве с учёными из Израиля и Китая реконструировала атомные модели новых форм Фотосистемы I. Исследования, опубликованные в двух статьях в Nature Plants, расширяют фундаментальное понимание того, как собираются и регулируются биоэнергетические комплексы в фотосинтетических мембранах цианобактерий и водорослей.

Кислородный фотосинтез — это преобразование солнечного света в химическую энергию, лежащую в основе выживания практически всех сложных форм жизни. Преобразование энергии осуществляется фотосинтетическим аппаратом, который захватывает фотоны света в биоэнергетических мембранах цианобактерий, водорослей и растений. Фотосистема I является центральным компонентом этого процесса.

Современная учебная парадигма описывает архитектуру Фотосистемы I как тример для цианобактерий и мономер для водорослей. Два новых открытия, о которых сообщается в Nature Plants, получены в результате сотрудничества исследователей из SciLifeLab с Университетом Цинхуа и Тель-Авивским университетом. Они обнаружили, что пресноводный планктон Anabaena адаптировал специализированный димер димеров Фотосистемы I с 476 пигментами, в то время как зелёная водоросль Dunaliella оптимизировала минимальную форму Фотосистемы I (мини-PSI) для жизни в гиперсолёной среде и в условиях светового стресса. Аннемари Перес Боэрема из лаборатории Алексея Амунтса (Стокгольмский университет, SciLifeLab) использовала крио-ЭМ для визуализации необычных форм Фотосистемы I.

Первое исследование тетрамера Фотосистемы I из Anabaena показало увеличенную площадь поверхности, позволяющую обогащать биоэнергетическую мембрану фотосистемами. Это даёт преимущество на стадиях созревания, требующих активности нитрогеназы. Второе исследование выявило мини-PSI из Dunaliella, который представляет собой самый маленький комплекс такого рода, идентифицированный на сегодняшний день. Учёные также сообщают о новых энергетических путях, сайтах связывания пигментов и фосфолипидах. В отличие от всех других известных аналогов, мини-PSI лишён основных белковых компонентов, которые участвовали бы во взаимодействиях с дополнительными светособирающими партнёрами. Это наблюдение предполагает ранее неизвестный регуляторный механизм, снижающий связывание периферических антенн для акклиматизации к окружающей среде.

Вместе эти два исследования показывают, что фотосистемы могут осуществлять фотосинтез за рамками учебного описания. Обнаруженные конфигурации у далёких видов можно рассматривать как эволюционную шутку, которую природа преподносит время от времени, что является обнадёживающей новостью для исследователей, изучающих фундаментальные вопросы биоэнергетики.