Как водоросли меняют свои внутренние "солнечные панели" для выживания
Исследование лабораторий Беннинга и Крамера показывает, как природные "солнечные панели" внутри водорослей — тилакоиды — постоянно меняют размер, чтобы адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Эта система критически важна для здоровья и выживания организмов.
Учёные хотят использовать эти знания, чтобы в будущем направить энергию природных "панелей" в технологии для человечества. Для этого необходимо понимать, как и когда эти системы работают лучше всего в естественных условиях, сталкиваясь с палящим солнцем, холодом, засухой и другими переменными.
Тилакоиды запускают фотосинтез — процесс, питающий жизнь на Земле, превращая солнечный свет в пищу и полезную энергию.
Когда у фотосинтезирующих организмов достаточно ресурсов (питательных веществ, подходящей температуры, воды), фотосинтез работает бесперебойно. Однако в стрессовых условиях (нехватка питательных веществ, холод, засуха) организмы не могут ни расти, ни спрятаться. В таких случаях они должны снизить интенсивность фотосинтеза до окончания неблагоприятного периода. Эта способность — вопрос жизни и смерти. Без неё организмы производят токсины, наносящие себе смертельный вред.
Новое исследование, опубликованное в The Plant Cell, показывает, что белок PGD1 у водорослей участвует в управлении размером "солнечных панелей" в ответ на изменения среды.
Наука: Тип "жировых молекул" меняет способ улавливания света
Как и настоящие солнечные панели, тилакоиды состоят из слоёв мембран, содержащих антенны для захвата света, и механизмов для преобразования этого света в энергию и пищу.
Эти мембранные слои состоят из липидов — небольших молекул, содержащихся в жирах и маслах. Регулируя количество и типы липидов, организм может менять размер "панелей" и контролировать фотосинтетическую активность: больше площадь поверхности — больше антенн и механизмов — выше активность.
В стрессовые периоды организмы меняют липиды, чтобы уменьшить площадь мембран. С меньшей поверхностью для захвата света фотосинтез замедляется.
"Было известно, что липид-обрабатывающий белок PGD1 влияет на количество и состав липидов тилакоидных мембран, — говорит Чжи-Янь (Рок) Ду, постдок в лаборатории Беннинга. — Мы обнаружили, что этот белок управляет наиболее распространённым типом липида, который составляет около 50% липидного состава тилакоида".
Когда учёные генетически удалили этот белок у штамма водоросли Chlamydomonas reinhardtii, структура тилакоидов изменилась, как и количество светособирающих антенн и механизмов внутри.
Без регулировки "панелей" водоросли не выдерживают стресса
Команда проверила, как мутантные водоросли без белка PGD1 адаптируются к стрессовым условиям:
- Нехватка азота: водоросли не могут производить белки и меняют способ хранения энергии.
- Низкие температуры: метаболизм замедляется.
В таких ситуациях на водоросли по-прежнему падает тот же объём света, но они не могут использовать всю полученную энергию из-за замедленного метаболизма. Нерастраченная энергия фотосинтеза накапливается до уровней, вызывающих смертельные повреждения.
Именно в этот момент здоровые клетки уменьшают размер "панелей" и снижают интенсивность фотосинтеза, чтобы предотвратить повреждения.
"Но наши мутанты, лишённые критически важного липид-обрабатывающего белка, с трудом это делали, — говорит Рок. — Клетки накапливали токсины, которые вредили водорослям, те заболевали и теряли окраску".
"Мы считаем, что эта способность контролировать размер "солнечных панелей" — стратегия выживания в естественных условиях. Далее мы планируем изучить больше вариаций липидного профиля тилакоидов, чтобы понять, как это влияет на фотосинтез и здоровье водорослей".
Долгосрочная цель исследователей — использовать энергию водорослей для нужд человека, поскольку они всё чаще рассматриваются как будущий источник биотоплива и корма в аквакультуре. Цель — создать водоросли с более высокой устойчивостью к стрессам окружающей среды, что повысит урожайность фотосинтеза.
Рок отмечает, что результаты стали возможны благодаря сотрудничеству в MSU-DOE Plant Research Laboratory: "В лаборатории Беннинга мы знаем всё о липидах, а лаборатория Крамера изучает фотосинтез в динамических условиях. Эта работа была бы трудновыполнима, если бы мы не работали вместе".