Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене. Биологи Марсель Данн и Дарио Лейстер впервые продемонстрировали, что цианобактерии и растения используют сходные механизмы и ключевые белки для регулирования циклического потока электронов во время фотосинтеза.
Циклический поток электронов (CEF) является важнейшим компонентом фотосинтеза как у растений, так и у цианобактерий. Однако до сих пор было неясно, чем он отличается и с какими общими компонентами связан с родственным электрон-транспортным процессом линейного потока электронов (LEF) или как он регулируется. Биологи LMU Марсель Данн и Дарио Лейстер показали, что два специфических белка, называемых PGRL1 и PGR5, опосредуют контроль CEF у растений. Эти белки были идентифицированы как важные элементы фотосинтеза в последние годы как в лаборатории Лейстера, так и группой исследователей в Японии. У растений количества биологически полезной энергии (в форме АТФ), генерируемой путем LEF, недостаточно для синтеза сахаров из углекислого газа. АТФ, продуцируемый циклическим потоком электронов, восполняет этот недостаток и жизненно важен для фиксации углерода. Это становится очевидным, когда растения подвергаются стрессу, им приходится восстанавливать повреждения, вызванные высоким уровнем освещенности, или когда они сталкиваются с другими вредными изменениями окружающей среды. «Когда CEF неисправен, растения очень быстро заболевают», - говорит Лейстер.
Поскольку циклический поток электронов чрезвычайно сложно измерить непосредственно в растениях, Данн и Лейстер обратились к цианобактериям, которые также обладают CEF-путем. Цианобактерии - очень полезная модельная система, потому что органеллы, известные как хлоропласты - участки фотосинтеза в растениях - фактически произошли от них в процессе эволюции. Таким образом, молекулярные механизмы, которые регулируют CEF у цианобактерий, аналогичны, но значительно менее сложны, чем те, которые используются растениями, объясняет Лейстер. «Это системы, использующие более простую форму фотосинтеза». В своем исследовании, опубликованном в онлайн-журнале Nature Communications, авторы ввели гены, кодирующие два растительных белка PGRL1 и PGR5, в различные мутантные штаммы этих бактерий и проанализировали их влияние на фотосинтез. «Мы были весьма удивлены, обнаружив, что на самом деле можем измерить нечто, очень похожее на циклический перенос электронов», - говорит Лейстер. Это открытие ясно доказывает, что эти два белка действительно играют ключевую роль в циклическом потоке электронов. Кроме того, оказалось, что их достаточно для восстановления CEF у мутантных цианобактерий.
Это особенно примечательно, потому что у цианобактерий отсутствует PGRL1, хотя у них есть PGR5-подобный белок. По этой причине исследователи давно задавались вопросом, почему этим клеткам удается реализовать CEF только с помощью этого гомолога PGR5, в то время как для растительного пути требуются как PGR5, так и PGRL1. Два исследователя также нашли возможный ответ на эту загадку. Они показали, что у цианобактерий есть второй белок, называемый Sll1217, который, по-видимому, имеет функцию, аналогичную функции PGRL1 в растениях. Хотя Sll1217 демонстрирует лишь очень низкий уровень структурного (т.е. аминокислотной последовательности) сходства с растительным PGRL1, он взаимодействует с PGR5 как растений, так и цианобактерий. Данн и Лейстер первыми предложили функцию в CEF для Sll1217.
Дарио Лейстер планирует использовать эти новые идеи на практике. Его последний проект «PhotoRedesign», за который он недавно получил грант Synergy от Европейского исследовательского совета (ERC), направлен на улучшение фотосинтетической производительности и разработку способов, позволяющих растениям лучше использовать солнечный свет. «Мы пытаемся победить природу, комбинируя лучшие элементы различных систем фотосинтеза», - говорит Лейстер. В этом отношении генетически измененные цианобактерии открывают новые возможности для дальнейших экспериментов.«У бактерий мы можем экспериментально изменить растительную версию циклического транспорта электронов с помощью генетических манипуляций в течение нескольких недель», - отмечает Лейстер. «Измененный штамм цианобактерий похож на живую лабораторию, которая позволяет нам экспериментировать с процессом CEF. Такие эксперименты с растениями заняли бы годы». - И решения, которые работают на цианобактериях, можно затем опробовать на растениях. «Это не только экономит много времени, но и позволяет нам проводить эксперименты, которые было бы невозможно провести на растениях».