Исследование светопринимающих структур цианобактерий и лучшее понимание технологии фотосинтеза открывает новые возможности для биоинженерии, растениеводства и защиты окружающей среды.
Исследователи из Университета штата Мичиган (Michigan State University, УШМ) и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли (University of California Berkeley), Южночешского университета (Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích) и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) создали самую подробную на сегодняшний день картину важных биологических «антенн». Данные структуры появились в процессе эволюции и служат для утилизации солнечной энергии посредством фотосинтеза. Принадлежат эти приёмники солнечного света не растениям — они обнаружены в микроорганизмах, известных как цианобактерии, эволюционных потомках первых земных организмов, ставших в своё время способными, поглощая солнечный свет, воду и углекислый газ, превращать их в сахара и кислород.
Эти открытия, опубликованные 31 августа в журнале Nature, позволяют сразу же увидеть микробный фотосинтез в новом свете — в частности, разглядеть то, как световая энергия улавливается и направляется туда, где она необходима для преобразования углекислого газа в сахара. В дальнейшем полученные данные, возможно, помогут исследователям устранять из окружающей среды вредные бактерии, разрабатывать системы искусственного фотосинтеза для возобновляемых источников энергии и привлекать микроорганизмы к устойчивому производству, которое использует в качестве сырья углекислый газ и солнечный свет.
«Существует огромный интерес к использованию цианобактерий как фабрик, улавливающих солнечный свет и преобразующих его в энергию, пригодную для производства жизненно важных продуктов, — утверждает почётный ханновский профессор (Hannah Distinguished Professor) из Колледжа естественных наук (College of Natural Science) Черил Керфельд (Cheryl Kerfeld), работающая в сфере структурной биоинженерии. — С помощью схемы, подобной той, которая выявлена в ходе нашего исследования, можно приступить к разработке методов настройки и оптимизации светособирающего компонента фотосинтеза».
«Выяснив, как что-то работает, вы сразу же начинаете лучше ориентироваться в том, как это можно модифицировать и использовать. Это огромный прогресс», — добавляет Маркус Саттер (Markus Sutter), старший научный сотрудник лаборатории Керфельд, работающий в УШМ и Лаборатории Беркли в Калифорнии (Berkeley Lab in California).
Антенные структуры цианобактерий, называемые фикобилисомами, представляют собой сложные скопления пигментов и белков, которые образуют довольно массивные комплексы.
В течение десятилетий исследователи визуализировали различные строительные блоки фикобилисом, чтобы понять, как они связаны друг с другом. Такой поэтапный подход диктуется хрупкостью фикобилисом. Исторически сложилось так, что науке никак не удавалось получить с высоким разрешением полную картину этих антенн, необходимую для понимания того, как они улавливают и проводят световую энергию.
Теперь, благодаря международной команде специалистов и передовой технологии, известной как криоэлектронная микроскопия, учёные сумели с почти атомарным разрешением выявить структуру светособирающей антенны цианобактерий. Эта группа исследователей состояла из представителей УШМ, Лаборатории Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Южночешского университета.
«Эта работа — прорывная в области исследования фотосинтеза», — считает Пол Зауэр (Paul Sauer), постдокторант лаборатории криогенной электронной микроскопии профессора Евы Ногалес (Eva Nogales) в Лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли.
«Полная структура светособирающей антенны цианобактерий до сих пор оставалась невыясненной, — отмечает Зауэр. — Наше открытие помогает понять, как эволюция задолго до появления на нашей планете растений исхитрилась превращать углекислый газ и свет в кислород и сахар в бактериях».
Зауэр и Керфельд — авторы-корреспонденты статьи, в которой описано данное научное достижение. Команда задокументировала несколько существенных результатов, в том числе новый фикобилисомный белок и два новых, ранее неизвестных, способа ориентирования фикобилисомами их светоулавливающих палочек.
«Это — 12 страниц открытий», — написала в журнале Nature Мария Агустина Домингес-Мартин (María Agustina Domínguez-Martín). Будучи постдокторантом в лаборатории Керфельд, Домингес-Мартин инициировала это исследование в УШМ и довела его до завершения в Лаборатории Беркли. В настоящее время она занимается научно-исследовательской деятельностью в Университете Кордовы (University of Cordoba), Испания, в рамках программы постдокторских стипендий имени Марии Склодовской-Кюри.
Например, одним из сюрпризов стало открытие того, как относительно небольшой белок может создавать защиту от перегрузок для массивной антенны. До данной работы было известно лишь то, что фикобилисомы, поглощая слишком много солнечного света, могут задействовать молекулы, которые называются оранжевыми каротиноидными белками, или ОКБ. OКБ выделяют избыточную энергию в виде тепла, защищая цианобактериальную систему фотосинтеза от перегрева.
До сих пор велись споры о том, сколько OКБ могут связывать фикобилисомы и где находятся сайты связывания. Новое исследование даёт ответы на эти фундаментальные вопросы и предлагает идеи, способные найти практическое применение.
Такого рода система защиты от перегрузок, называемая фотозащитой и имеющая аналоги в растительном мире, по своей природе расточительна. Цианобактерии не способны быстро отключать фотозащиту после того, как она выполнила свою работу. По словам Керфельд, теперь, имея полную картину того, как работает система защиты от перегрузок, исследователи могут разработать пути создания «умной», менее расточительной фотозащиты.
Хотя цианобактерии помогают делать планету пригодной для жизни людей и бесчисленного множества других организмов, которым для выживания необходим кислород, у них есть и тёмная сторона. Цианобактерии, вызывая цветение озёр, прудов и водохранилищ, могут выделять токсины, смертельно опасные для местных экосистем, а также для людей и их домашних животных. Имея представление о том, каким образом бактерии не только собирают солнечную энергию, но и защищают себя от её избытка, можно придумать новые средства борьбы с вредным цветением.
Данная работа предлагает новые знания и открывает новые возможности применения ранее накопленных знаний, но, помимо этого, она весьма интересна тем, что поднимает новые вопросы и вдохновляет на новые исследования.
«Подумайте об этом как о Лего — вы ведь можете продолжать строительство, не так ли? Белки и пигменты — это блоки, из которых складываются фикобилисомы, но ещё — это часть фотосистемы, расположенной в клеточной мембране, которая является частью клетки в целом, — говорит Саттер. — В некотором смысле мы поднимаемся по лестнице масштаба. Мы нашли кое-что новое на нашей ступеньке, но нельзя сказать, что нам уже известна вся система».
«Мы ответили на некоторые вопросы, но при этом возникли другие, и, на мой взгляд, именно это делает данную работу прорывной, — говорит Домингес-Мартин. — Я с нетерпением жду результатов, которые даст продолжение исследований».
