Учёные раскрыли молекулярную сборку и эффективный сбор света крупнейшего эукариотического фотосинтетического комплекса

Кокколитофориды — одноклеточные микроводоросли, фиксирующие CO₂ в органическое вещество и осаждающие карбонат кальция. Они значительно влияют на оптику океана, экспорт углерода и его долгосрочное хранение, являясь основными участниками океанического фотосинтеза, особенно в умеренных и открытых водах.

Понимание работы их фотосинтетических систем важно для искусственного фотосинтеза, биоинспирированных солнечных материалов, энергосетей, спектрального инжиниринга и других приложений.

В новом исследовании, представленном на обложке журнала Science 11 сентября, китайские учёные сообщили о прорыве в понимании эффективности сбора света кокколитофорид.

Исследование под руководством профессоров Ван Вэнда и Тянь Лицзиня из Института ботаники Китайской академии наук совместно с коллабораторами раскрыло первую трёхмерную структуру суперкомплекса фотосистемы I–фукоксантин–хлорофилл a/c-связывающего белка (PSI-FCPI) у кокколитофориды Emiliania huxleyi.

Исследование показывает, как эта гигантская фотосинтетическая машина может увеличить поперечное сечение сбора света в три-четыре раза, сохраняя эффективность преобразования энергии свыше 95%.

Учёные описали структурные и пигментные особенности PSI-FCPI у E. huxleyi и показали, что это крупнейший из обнаруженных на сегодня эукариотических комплексов фотосистемы I. PSI-FCPI состоит из 51 белковой субъединицы и 819 пигментов с молекулярной массой 1.66 MDa. Его способность собирать свет в четыре-пять раз выше, чем у суперкомплекса PSI-LHC гороха.

Несмотря на размер, система осуществляет сверхбыстрый перенос энергии за 96–120 пикосекунд, обеспечивая квантовую эффективность преобразования света в электроны свыше 95%.

Выдающаяся работа PSI-FCPI основана на уникальном расположении антенных белков и пигментов. Тридцать восемь периферических антенн Eh-FCPI окружают ядро PSI восемью радиальными поясами, собранными из каноничных субъединиц Lhcq и вновь идентифицированных субъединиц Lhcq-подобного типа. Получившаяся «гигантская система светособирающих антенн» значительно расширяет способность поглощения света.

Антенны FCPI обогащены хлорофиллом c и каротиноидами фукоксантин-типа, что позволяет эффективно поглощать сине-зелёный (460–490 нм) и зелёный (490–540 нм) свет в океанской воде. Более того, сильная экситонная связь между хлорофиллом c и хлорофиллом a устраняет энергетические ловушки и создаёт гладкую и эффективную сеть переноса энергии, обеспечивая быструю и стабильную доставку энергии возбуждения в реакционный центр PSI.

Кокколитофориды играют важную роль в глобальном углеродном цикле. Они процветали в меловой период, оставив массивные «меловые» отложения в осадках благодаря своим карбонатным пластинам. Огромный PSI-FCPI представляет собой предельное расширение светособирающих структур в эволюционном контексте вторичного эндосимбиоза «красной» линии.

Это исследование не только даёт представление об адаптивной эволюции этой древней линии, но и углубляет понимание фотосинтетических стратегий морских организмов.