Учёные определили структуру высокоэффективных светособирающих молекул в зелёных бактериях

Международная группа учёных определила структуру молекул хлорофилла в зелёных бактериях, ответственных за сбор световой энергии. Результаты работы однажды могут быть использованы для создания искусственных фотосинтетических систем, например, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Статья об открытии будет опубликована 4 мая 2009 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Учёные обнаружили, что хлорофиллы обладают высокой эффективностью сбора световой энергии. "Мы выяснили, что ориентация молекул хлорофилла делает зелёные бактерии чрезвычайно эффективными в улавливании света", — сказал Дональд Брайант, профессор биотехнологии в Penn State и один из руководителей группы.

Зелёные бактерии обычно обитают в условиях крайне низкой освещённости, например, в лишённых света областях горячих источников и на глубине 100 метров в Чёрном море. Бактерии содержат структуры, называемые хлоросомами, в которых может находиться до 250 000 хлорофиллов. "Способность захватывать световую энергию и быстро доставлять её к цели необходима этим бактериям, некоторые из которых получают всего несколько фотонов света на хлорофилл в день".

Хлоросомы в зелёных бактериях — последний класс светособирающих комплексов, охарактеризованных структурно, из-за сложности их изучения. Стандартный метод рентгеновской кристаллографии не подходил, так как он работает только для молекул, однородных по размеру, форме и структуре.

"Каждая хлоросома в зелёной бактерии имеет уникальную организацию, — пояснил Брайант. — Они как маленькие андуйские колбаски... Из-за изменчивости их состава учёные не могли использовать рентгеновскую кристаллографию для характеристики внутренней структуры".

Чтобы решить эту проблему, команда использовала комбинацию методов:

1. Генетические техники для создания мутантной бактерии с более регулярной внутренней структурой.
2. Крио-электронную микроскопию для определения крупномасштабных пространственных ограничений хлоросомы.
3. ЯМР-спектроскопию в твёрдом теле для определения структуры компонентных молекул хлорофилла.
4. Моделирование для объединения всех данных в итоговую картину хлоросомы.

Создание мутанта позволило понять, почему молекулы хлорофилла у зелёных бактерий усложнялись в ходе эволюции. Учёные инактивировали три гена, приобретённых бактериями на поздних этапах эволюции. Оказалось, что более развитые дикие бактерии растут быстрее при любой интенсивности света, чем мутантная форма. "Причина усложнения хлорофиллов действительно заключалась в повышении эффективности сбора света", — сказал Брайант.

Крио-электронная микроскопия показала, что молекулы хлорофилла внутри хлоросом имеют форму нанотрубок, похожих на матрёшек. Хлоросомы мутантной бактерии содержат только один набор трубок, а дикого типа — множество трубок, каждая из которых расположена в уникальном узоре.

ЯМР-спектроскопия в твёрдом теле позволила заглянуть глубоко внутрь хлоросомы. Данные показали, что отдельные молекулы хлорофилла расположены в виде димеров, их длинные гидрофобные "хвосты" торчат с обеих сторон. Также удалось определить, как именно молекулы хлорофилла соединяются друг с другом, измерить расстояние между ними и установить, что они расположены в виде спиралей.

Ключевой вывод: В мутантных бактериях молекулы хлорофилла расположены под углом почти 90 градусов к длинной оси нанотрубок, тогда как в диком организме угол менее крутой. "Именно ориентация молекул хлорофилла здесь важнее всего", — подчеркнул Брайант.

Парадокс эффективности: "Сначала кажется нелогичным, что зелёные бактерии смогли развить лучшую светособирающую систему, увеличив неупорядоченность в структуре хлоросомы", — отметил Брайант. В дикой форме существуют различные домены, где расположены молекулы хлорофилла, что ограничивает миграцию энергии фотона. Энергия отдельного фотона посещает меньшее число хлорофиллов, что является преимуществом, так как она может быстрее добраться до цели. "Скорость — это название игры, в которую играют зелёные бактерии со светом. У организмов есть всего пара наносекунд, чтобы энергия попала в нужное место, иначе она будет потеряна".

Перспективы применения: Результаты работы могут быть использованы для создания искусственных фотосинтетических систем, преобразующих солнечную энергию в электричество. "Взаимодействия, ведущие к сборке хлорофиллов в хлоросомах, довольно просты, поэтому они являются хорошими моделями для искусственных систем", — сказал Брайант. Понимание биологических правил построения более крупных структур — это огромный шаг вперёд.