Выводы, сделанные международной группой ученых из университетов Базеля, Окаямы и Нового Южного Уэльса, опубликованы в «Proceedings of the National Academies of Sciences» дают новое представление о процессе фотосинтеза на молекулярном уровне.
«К 2050 году нам понадобится на 50% больше топлива, на 70% больше пищи и на 50% больше чистой воды. Технологии, основанные на фотосинтетических микроводорослях, могут сыграть важную роль в удовлетворении этих потребностей», — говорит профессор Бен Ханкамер, который базируется в Институте молекулярной биофизики UQ и руководит Центром солнечной биотехнологии. Биотехнологии на основе солнечной энергии и микроводорослей будут продвигаться через лучшее понимание того, как эти организмы захватывают и хранят солнечную энергию на молекулярном уровне.
За три миллиарда лет растения, водоросли и сине-зеленые бактерии развили сложные нано-механизмы, которые позволяют им выполнять фотосинтез, в котором солнечная энергия захватывается и хранится в виде химической энергии.
Эта химическая энергия принимает форму молекул ATP и NADPH, которые необходимы для большого количества клеточных процессов.
«ATP и NADPH позволяют растительным структурам фотосинтеза расти, а по мере их роста они производят атмосферный кислород, а также продукты и топливо, которые поддерживают жизнь на Земле», — говорят исследователи.
Фотосинтез работает в двух режимах: линейном потоке электронов (LEF) и циклическом потоке электронов (CEF). Чтобы эффективно работать при постоянно меняющихся условиях освещения, фотосинтетический организм должен балансировать свет, который он поглощает энергией, ATP и NADPH, которые ему нужны. Это достигается путем постоянной тонкой настройки уровней этих двух режимов по отношению друг к другу.
«Сообщалось о биохимических данных о том, что крупная макромолекулярная сборка, называемая суперкомплексом циклического электронного потока (CEF), играет решающую роль в этом процессе тонкой настройки. Однако из-за его динамического характера было трудно очистить этот суперкомплекс для определения структуры» — говорит профессор Бен Ханкамер.
Чтобы решить эту проблему, команда использовала сложные методы для очистки и характеристики суперкомплекса CEF из микроводорослей, а затем проанализировала ее структуру с помощью электронной микроскопии.
Исследователи тщательно отобразили около полумиллиона белковых комплексов, извлеченных из микроводорослей в поисках суперкомплекса. Только около тысячи из них оказались суперкомплексом CEF.
Структурный анализ показал, как легкие комплексы, фотосистема I и компоненты цитохрома b6f собираются в суперкомплекс CEF и как их расположение позволяет им динамически подключаться и отключаться для выполнения различных функций, позволяющих организму адаптироваться к различным условиям освещенности и энергозатратам.
Полученная информация в сочетании с дополнительными экспериментальными данными позволила исследователям предложить новую гипотезу о том, как работает суперкомплекс CEF. «Суперкомплекс CEF является отличным примером эволюционно высококонсервативной структуры, — говорят исследователи, объясняя, что он сохраняется во многих растениях и водорослях и, вероятно, значительно не изменился в течение миллионов лет.
По словам профессора Ханкамера, команда ученых стремится оптимизировать фотосинтетический механизм «зеленых водорослей» для производства технологий, которые помогают решать растущие потребности в энергии, потреблении пищи и воды в мире. «Для достижения этих целей нам необходимо понять, как процессы фотосинтеза работают на молекулярном уровне», — говорит он.
Новая информация поможет в разработке технологий солнечного захвата следующего поколения на основе микроводорослей и широкого спектра биотехнологий и отраслей солнечной энергии для производства высокоценных продуктов, продуктов питания, топлива и чистой воды. Добыча CO2 из атмосферы и его использование и хранение также являются интересными областями, поскольку международное сообщество разрабатывает решения для борьбы с изменением климата.
Janina Steinbeck el al., «Structure of a PSI–LHCI–cyt b6f supercomplex in Chlamydomonas reinhardtii promoting cyclic electron flow under anaerobic conditions,» PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1809973115
Подпишитесь на наш канал в Telegram
