Морские водоросли используют уникальный пигмент сифонеин для защиты фотосинтеза от избытка света

Исследователи из Университета Осаки Метрополитен и их коллеги обнаружили, что пигмент сифонеин помогает морским зелёным водорослям поддерживать фотосинтез, защищая его от повреждений. Результаты опубликованы в Cell Reports Physical Science.

Фотосинтезирующие организмы используют светособирающие комплексы (LHC) для улавливания солнечного света. При избыточном освещении молекулы хлорофилла могут переходить в опасное триплетное состояние, являющееся источником активных форм кислорода, способных вызвать окислительное повреждение.

Организмы используют каротиноиды для быстрого рассеивания избыточной энергии (или гашения этих триплетных состояний) через процесс триплет-триплетного переноса энергии (TTET).

Исследовательская группа искала ответ в морской зелёной водоросли Codium fragile. Подобно наземным растениям, она обладает светособирающей антенной LHCII, но с особенностью: содержит необычные каротиноиды, такие как сифонеин и сифонаксантин, которые позволяют водоросли использовать зелёный свет для фотосинтеза.

С помощью передовой электронного парамагнитного резонанса (EPR) спектроскопии, которая непосредственно детектирует триплетные возбуждённые состояния, команда сравнила шпинат с Codium fragile.

• В шпинате слабые сигналы триплетных состояний хлорофилла оставались обнаружимыми.
• В Codium fragile эти вредные состояния полностью исчезали, что является явным доказательством их полного гашения каротиноидами в системе водоросли.

Комбинируя данные EPR с квантово-химическим моделированием, команда определила, что сифонеин, расположенный в ключевом сайте связывания в LHCII, является основным драйвером этого выдающегося защитного эффекта.

Их работа также прояснила электронные и структурные принципы, лежащие в основе эффективного TTET, показав, как своеобразная электронная структура сифонеина и его положение в комплексе LHCII усиливают его способность рассеивать избыточную энергию.

Результаты демонстрируют, что морские водоросли эволюционировали, развив уникальные пигменты не только для улавливания зелёно-голубого света, доступного под водой, но и для повышения устойчивости к избыточному солнечному свету.

Помимо углубления понимания фотосинтеза, результаты исследования открывают путь к разработке биоинспирированных солнечных технологий со встроенными защитными механизмами и более долговечных и эффективных систем возобновляемой энергии.