Фотосинтезирующие организмы используют свет в качестве топлива, но иногда бывает слишком много хорошего. Новое исследование, проведенное Вашингтонским университетом в Сент-Луисе, раскрывает основную структуру светосборной антенны цианобактерий или сине—зеленых водорослей, включая ключевые особенности, которые одновременно собирают энергию и блокируют избыточное поглощение света. Это исследование, опубликованное 6 января в журнале Science Advances, дает представление о будущем применении энергии.

Ученые построили модель большого белкового комплекса под названием фикобилисома, который собирает и передает световую энергию. Фикобилисомы позволяют цианобактериям использовать преимущества различных длин волн света по сравнению с другими фотосинтетическими организмами, такими как зеленые растения на суше.

Эта способность значительно увеличивает глобальную продуктивность фотосинтеза со всего спектра солнечной энергии, но она чревата риском.

"Для цианобактерий избыточное поглощение света неизбежно—а иногда и смертельно", - говорит Хайцзюнь Лю, научный сотрудник отдела химии в области искусств и наук Вашингтонского университета. Лю является главным исследователем и соответствующим автором нового исследования, финансируемого Министерством энергетики (DOE), фундаментальные энергетические науки.

"Мы обнаружили интересные структурные особенности в интерфейсе, где энергия передается и регулируется", - сказал он. "Один из регуляторных процессов, называемый нефотохимическим тушением, осуществляется белком, называемым оранжевым каротиноидным белком. Структура фикобилисомы с высоким разрешением позволит нам детально разобраться в таких процессах."

Хотя исследователи уже знали, что оранжевый каротиноидный белок помогает защитить цианобактерии в условиях высокой освещенности, у них не было четкой картины всех структурных особенностей.

Они также не знали, где и как оранжевый каротиноидный белок секвестрируется в живой клетке цианобактерий.

"Мы были ошеломлены, когда впервые добрались до текущей модели", - сказал Лю. "Мы сразу же заметили, что неактивный оранжевый каротиноидный белок действительно может получить доступ—или просто плотно вписаться-в область свободного пространства между фикобилисомой и PSII (белковый комплекс, который получает энергию от фикобилисомы для фотохимических реакций). Тогда он готов быть завербованным или активированным сигналами окружающей среды."

Эта структура была собрана командой аналитиков-биохимиков и структурных биологов Вашингтонского университета, включая Химадри Пакраси, профессора искусств и наук Джорджа Уильяма и Ирен Кечиг Фрейберг.

Команда использовала структурную протеомику в сочетании со структурным моделированием для решения этой структуры. Этот метод был впервые разработан Лю в лаборатории Пакраси несколько лет назад в сотрудничестве с членами группы под руководством Майкла Гросса, профессора химии в области искусств и наук и иммунологии и внутренней медицины в Медицинской школе. Уникальная платформа, которую они создали, дала им значительные преимущества перед другими лабораториями, которые пытались подойти к подобным биологическим вопросам с помощью электронного микроскопа, криоэлектронного микроскопа и других методов.

Фундаментальная научная основа этого нового исследования помогает объяснить, как живые организмы максимизируют эффективность фотосинтеза на ранних стадиях фотосинтеза. Эта тема также была поддержана исследовательским центром фотосинтетических антенн (PARC) при Вашингтонском университете—одним из 46 исследовательских центров DOE Energy Frontier, ранее руководимым Робертом Э. Бланкеншипом, заслуженным профессором искусств и наук Люсиль П. марки.

Новая работа поможет будущим усилиям по разработке биогибридных или синтетических систем, которые используют энергию света.

ИСТОЧНИК