Учёные открыли первый новый хлорофилл за 60 лет

Учёные из Сиднейского университета случайно обнаружили первый новый хлорофилл, открытый за более чем 60 лет, и опубликовали результаты в международном журнале Science.

Новый пигмент, названный хлорофилл f, был найден случайно в строматолитах из залива Шарк в Западной Австралии. Он способен использовать свет с более низкой энергией, чем любой другой известный хлорофилл.

Это историческое исследование, опубликованное онлайн в Science, бросает вызов нашему пониманию физических пределов фотосинтеза. Оно показывает, что небольшие молекулярные изменения в структуре хлорофилла позволяют фотосинтезирующим организмам выживать практически в любой среде на Земле.

Новый хлорофилл был обнаружен глубоко внутри строматолитов — каменистых структур, построенных фотосинтезирующими бактериями, называемыми цианобактериями, — ведущим автором работы доктором Мин Чен из Сиднейского университета.

Междисциплинарная команда учёных охарактеризовала свойства поглощения и химическую структуру хлорофилла f, сделав его пятым известным типом молекулы хлорофилла на Земле.

До недавнего времени считалось, что оксигенный фотосинтез (процесс, позволяющий растениям, водорослям и некоторым бактериям преобразовывать CO₂ в сахар и кислород с использованием энергии солнечного света) возможен только в свете, видимом человеческому глазу (400–700 нм), так как хлорофиллы строго ограничены поглощением света в этом диапазоне.

Это представление было опровергнуто в 1996 году открытием цианобактерии, способной к фотосинтезу с использованием света за пределами видимого спектра — на 710 нм (инфракрасная область) — с помощью модифицированной молекулы хлорофилла d.

Теперь правила фотосинтеза нужно переписывать снова. Обнаружен новый хлорофилл, способный поглощать свет с ещё более низкой энергией фотонов — 720 нм, что делает его наиболее «красносмещённым» хлорофиллом на сегодняшний день.

С экологической точки зрения, хлорофилл f позволяет цианобактериям, живущим глубоко в строматолитах, осуществлять фотосинтез, используя низкоэнергетический инфракрасный свет — единственный свет, способный проникнуть в структуру.

Как было сделано открытие

Доктор Чен искала хлорофилл d в строматолитах, полагая, что это подходящее место, поскольку бактерии в середине структур получают меньше света. После получения образца из бассейна Хамелин цианобактериальную культуру выращивали в инфракрасном свете с длиной волны 720 нм, чтобы обеспечить выживание только тех цианобактерий, которые имеют хлорофиллы, способные поглощать и использовать ИК-свет.

Через шесть месяцев высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC) культивированного образца выявила не только следовые количества хлорофилла d, но и новый, ранее не виданный хлорофилл.

Характеристика нового пигмента

• Оптический спектр поглощения: новый хлорофилл может поглощать свет с гораздо большей длиной волны, чем любой другой известный хлорофилл — на 10 нм длиннее, чем у хлорофилла d, и более чем на 40 нм длиннее, чем у хлорофилла a.
• Масс-спектрометрия: молекулярная масса нового пигмента составила 906 массовых единиц.
• ЯМР-спектроскопия: анализ химической структуры показал, что хлорофиллы a, b, d и f имеют очень похожее строение, отличаясь только положением одной замещающей группы. Однако эти крошечные различия в структуре придают хлорофиллам очень разные спектральные свойства, позволяя им функционировать в совершенно разных световых условиях.

Значение открытия

«Обнаружение этого нового хлорофилла полностью опровергает традиционное представление о том, что фотосинтезу нужен высокоэнергетический свет», — сказала доктор Чен.

Это означает, что фотосинтезирующие организмы могут использовать гораздо большую часть солнечного спектра, чем считалось ранее, а эффективность фотосинтеза намного выше, чем мы себе представляли.

Хлорофилл f и его способность поглощать инфракрасный свет могут найти множество применений в таких отраслях, как биотехнология растений и биоэнергетика.

Следующая задача — выяснить функцию этого нового хлорофилла в фотосинтезе. Является ли его ролью захват дополнительного красного света и передача его другому хлорофиллу (например, a) в реакционном центре? Или он единственный ответственный за фотосинтез в этой цианобактерии? В последнем случае остаётся загадкой, как эта молекула может получить достаточно энергии из инфракрасного света для образования кислорода из воды.

Какой бы ни была разгадка, сам факт обнаружения цианобактерии, которая использует крошечную модификацию своей молекулы хлорофилла для фотосинтеза в невидимом для нас свете, открывает наш разум для, казалось бы, безграничных способов адаптации организмов к выживанию в своей среде.