Управление светом: новая защита для фотосинтезирующих организмов

Учёные из Университета Вашингтона в Сент-Луисе обнаружили ранее неизвестную стратегию, которую фотосинтезирующие организмы используют для защиты от опасности избыточного света. Это открытие углубляет понимание фотосинтеза и открывает новые пути для инженерии этого процесса, лежащего в основе глобальной пищевой цепи.

Фотосинтезирующая бактерия Chlorobaculum tepidum процветает в бескислородных глубинах или осадках озёр. Кислород может отравить её, повредив её чувствительный реакционный центр, который преобразует энергию света в химическую энергию. Чтобы выжить, бактерия должна иметь тонко настроенный ответ на свет и кислород, который можно усиливать или ослаблять по мере необходимости.

Этот «фотосинтетический регулятор громкости» позволяет бактерии выживать при воздействии кислорода, когда свет в ином случае мог бы ей навредить.

Роберт Блэнкеншип, чья исследовательская группа обнаружила этот новый механизм, считает, что новое понимание может помочь учёным создать другие зелёные организмы, также толерантные к кислороду, или обеспечить их дополнительными способами рассеивать нежелательную энергию.

Результаты опубликованы в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 20 июня.

Давняя загадка

Chlorobaculum адаптирована к жизни в сернистом иле на дне озёр, где мало или нет кислорода. При воздействии кислорода бактерия должна иметь способ отключить фотосинтез, отводя энергию от своего реакционного центра — сердца фотосинтеза, где световая энергия преобразуется в молекулярную энергию, которую может использовать клетка.

Количество энергии, попадающей в реакционный центр, контролируется обширными «антенными комплексами». Эти огромные сети белка и хлорофилла направляют энергию в реакционный центр, подобно большим массивам зеркал, концентрирующих солнечный свет в одной точке в солнечных башнях.

Растения и другие фотосинтезирующие организмы обычно полагаются на дополнительные пигменты, такие как оранжевые каротиноиды, чтобы безопасно поглощать и рассеивать избыточную энергию, действуя как своего рода молекулярный солнцезащитный крем. Этот процесс называется тушением (quenching). Более 20 лет учёные знали, что антенный белок FMO внутри Chlorobaculum может тушить, но делает это без каротиноидов или других известных защит. Они не имели понятия, как это работает.

Исследователи предполагали, что редкие модификации аминокислот, строительных блоков белков, могут объяснять способность FMO к тушению, но у них не было способа проверить эту идею.

«Это действительно долгое время было загадкой», — сказал Блэнкеншип. «Мы знали, что эффект значительный. Но мы никак не могли понять, как это на самом деле работает».

Остроумное решение

Загадка оставалась неразгаданной до тех пор, пока достижения в масс-спектрометрии белков не позволили Грегори Орфу, постдоку тогда из лаборатории Блэнкеншипа, точно исследовать аминокислоты глубоко внутри белка FMO.

Там Орф обнаружил не сложные, модифицированные аминокислоты, которые, как подозревали учёные, ответственны за тушение, а просто две обычные цистеиновые аминокислоты (цистеины), одну из 20 стандартных аминокислот.

«Я заметил, что единственными аминокислотами, которые имели какое-либо значительное различие в реакционной способности с кислородом и без него, были эти два цистеина, и они — единственные два цистеина во всём белке», — сказал Орф.

Цистеины находились рядом с двумя молекулами хлорофилла, ближайшими к реакционному центру, что является хорошим местом для фотосинтетического переключателя вкл/выкл.

Исследователи обнаружили, что если они модифицируют эти цистеины так, чтобы они не могли реагировать на кислород, или заменят их менее активными аминокислотами, эффект тушения исчезает. Каждый цистеин вносил свой собственный эффект, но они также действовали совместно, создавая эффект тушения, больший, чем сумма отдельных частей.

«Мы считаем, что когда присутствует кислород, цистеин может «украсть» возбуждённый электрон у своего соседнего хлорофилла, чтобы высвободить эту световую энергию в виде безвредного тепла», — объяснил Орф.

Этот механизм тушения на основе цистеина, новый для данной области, может предложить способ изящно встроить толерантность к кислороду в другие фотосинтезирующие организмы, такие как производящие биотопливо водоросли, или в «искусственные» фотосинтетические системы.

«В этом, я думаю, важность этой работы — помимо попытки понять, как работает эта одна фотосинтезирующая бактерия», — сказал Блэнкеншип.

«Этот довольно простой механизм для включения и выключения передачи энергии может быть встроен в несколько различных систем».