Изменённый светособирающий комплекс в цианобактерии позволяет использовать низкоэнергетический свет
Исследователи выделили и определили молекулярную структуру светособирающей антенны, которая помогает некоторым цианобактериям (ранее называемым сине-зелёными водорослями) производить энергию посредством фотосинтеза даже в условиях низкоэнергетического света.
Эта структура была единственным компонентом фотосинтетического аппарата, используемым, когда цианобактерии адаптируются к использованию дальнего красного света, находящегося за пределами видимого спектра.
Понимание структур этих компонентов, адаптированных к фотосинтезу при таком слабом освещении, в конечном итоге может помочь в разработке теневыносливых сельскохозяйственных культур.
"В современном сельском хозяйстве такие культуры, как кукуруза и соя, высаживаются плотными массивами, что исключает прямой доступ к солнечному свету для всех, кроме самых верхних листьев полога. Расширение полезного солнечного спектра для таких культур принесло бы много прямых выгод для урожайности", — сказал Дональд А. Брайант, руководитель исследовательской группы.
Статья, описывающая структуру, была выбрана как "Выбор редакции" журналом Journal of Biological Chemistry. Результаты представляют собой кульминацию почти десятилетия исследований, которые теперь определили структуру всех трёх основных компонентов фотосинтеза у цианобактерии, адаптированной к дальнему красному свету.
Эти компоненты составляют фотосинтетический аппарат — сложный молекулярный механизм, способный адаптироваться для производства энергии даже при наличии только низкоэнергетического света.
"Как и растения, цианобактерии используют фотосинтез для производства энергии и могут расти в самых разных условиях, включая некоторые, враждебные для большинства других форм жизни", — сказал Брайант.
Они часто растут большими колониями или слоистыми матами, где только верхний слой клеток подвергается воздействию прямого солнечного света. Клетки под ним получают только свет, уже отфильтрованный клетками выше, но им всё же удаётся производить энергию для выживания.
Большинство фотосинтезирующих организмов используют видимый свет, который простирается от красного до фиолетового. Длины волн видимого света составляют от примерно 700 нанометров (нм) на низкоэнергетическом красном конце до примерно 400 нм на высокоэнергетическом фиолетовом конце. Волны чуть выше 700 нм называются дальним красным светом. Фотосинтезирующие организмы собирают этот свет с помощью пигментов, таких как хлорофилл, оптимизированных для сбора света в видимом диапазоне.
"Когда мы выращиваем цианобактерии в лаборатории в условиях дальнего красного света, имитируя условия клеток на дне микробного мата, активируется альтернативный набор генов, кодирующих ключевые компоненты фотосинтетического аппарата", — сказал Брайант.
В предыдущих работах исследовательская группа описала структуру двух из трёх основных фотосинтетических компонентов — фотосистемы I и фотосистемы II — у адаптированных к дальнему красному свету цианобактерий.
"Эта статья описывает третий — и последний — компонент фотосинтетического аппарата, который производится в цианобактерии, когда она растёт в дальнем красном свете", — сказал Брайант.
Они использовали высокоразрешающую крио-электронную микроскопию для определения структуры последнего компонента, называемого антенным комплексом или фикобилисомом.
"Итак, теперь у нас есть структуры для всего комплекса. Эта статья знаменует собой веху".
Теперь исследователи точно знают, какие части фотосинтетического аппарата изменены и куда включены альтернативные формы хлорофилла, настроенные на поглощение дальнего красного света. Они начинают собирать воедино, как три компонента взаимодействуют, позволяя цианобактериям осуществлять фотосинтез с использованием дальнего красного света.