Исследователи Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) использовали один из самых передовых микроскопов в мире, чтобы выявить структуру большого белкового комплекса, имеющего решающее значение для фотосинтеза, процесса, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет. в клеточную энергию.
Открытие, опубликованное в журнале Nature, позволит ученым впервые изучить, как комплекс функционирует и может иметь значение для производства различных биопродуктов, включая альтернативы пластику и биотопливо.
Эта работа приведет к лучшему пониманию того, как происходит фотосинтез, что может позволить нам повысить эффективность фотосинтеза в растениях и других зеленых организмах - потенциально увеличить количество пищи и, следовательно, биомассу, которую они производят, - сказала ведущий исследователь Карен Дэвис, биофизик из лаборатории Беркли. «Это особенно важно, если вы хотите производить возобновляемые биопродукты, которые являются рентабельными альтернативами существующим продуктам на основе нефти».
Обнаруженный несколько десятилетий назад белковый комплекс, на который нацелены исследователи, названный NADH-дегидрогеназоподобным комплексом (NDH), как известно, помогает регулировать фазу фотосинтеза, когда энергия солнечного света улавливается и хранится в двух типах клеточных энергетические молекулы, которые позже используются для преобразования углекислого газа в сахар. Прошлые исследования показали, что NDH перетасовывает заряженные электроны, перемещающиеся среди других белковых комплексов в хлоропласте, таким образом, чтобы обеспечить правильное соотношение каждой энергетической молекулы. Кроме того, NDH цианобактерий выполняет несколько дополнительных функций, включая увеличение количества углекислого газа (CO2), доступного для производства сахара, связывая поглощение CO2 с перенос электрона.
Для того чтобы ученые могли по-настоящему понять, как NDH выполняет эти важные функции, им понадобился молекулярный план, указывающий расположение и связь всех атомов в комплексе. Это то, чего до недавнего времени не могла обеспечить даже мощная технология просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)..
«Исследования этого фермента были трудными, а экспериментальные результаты были противоречивыми в течение последних 20 лет или около того, потому что у нас не было полной информации о структуре фермента», - сказал Дэвис. «Знание структуры важно для создания и проверки гипотез о том, как функционирует фермент. Разрешение, которое мы получили для нашей структуры NDH, стало реально достижимым только после коммерциализации камеры прямого счета электронов, разработанной в сотрудничестве с лабораторией Беркли."
До этого изобретения, как объяснил Дэвис, штатный научный сотрудник отдела молекулярной биофизики и интегративной биовизуализации (MBIB) лаборатории Беркли, определение структуры отдельной молекулы могло занять несколько лет, потому что крио-ТЭМ визуализация основывалась на пленке, то есть что каждую экспозицию нужно было проявить и отсканировать, прежде чем ее можно было проанализировать. Однако основным ограничением было то, что большинство изображений получались размытыми. Когда вы направляли пучок электронов на молекулу, заряженные высокоэнергетические частицы возбуждали атомы в молекуле, часто заставляя их двигаться в момент воздействия. Это означало, что исследователям нужно было взять и обработать сотни, если не тысячи киноизображений, чтобы получить точное представление о молекуле целиком.
Новая камера для подсчета электронов решает эту проблему, снимая цифровые видеоролики с чрезвычайно высокой частотой кадров, поэтому отдельные кадры можно выровнять, чтобы устранить размытие, вызванное движением частиц, вызванным лучом.
В текущем исследовании первый автор Томас Лафлин, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, работающий по совместительству в MBIB, выделил комплексы NDH из мембран фотосинтезирующих цианобактерий, предоставленных лабораторией Джунко Яно и Виттала Ячандра в MBIB, и изобразил их с использованием современного крио-ТЕМ-прибора, оснащенного новейшим детектором прямых электронов. Установка крио-ТЕМ, расположенная в кампусе Калифорнийского университета в Беркли, управляется консорциумом Bay Area CryoEM, который частично финансируется Berkeley Lab.
Полученная карта плотности атомов была затем использована для построения модели NDH, которая показывает расположение всех белковых субъединиц NDH и наиболее вероятное положение всех атомов в комплексе. Изучив эту модель, команда Дэвиса сможет сформулировать, а затем проверить гипотезы о том, как NDH способствует выработке сахара, уравновешивая соотношение двух молекул клеточной энергии.
«Хотя сама по себе структура NDH, безусловно, отвечает на многие вопросы, я думаю, что она подняла еще несколько, которые мы даже не думали рассматривать раньше», - сказал Лафлин.
Среди многих ученых из лаборатории Беркли, занимающихся расширением знаний о фундаментальных биохимических и биофизических процессах, Дэвис и ее сотрудники также используют прямую крио-ЭМ камеру для исследования того, как вариации в организации фотосинтетических комплексов, вызванные изменениями в росте и световые условия влияют на эффективность фотосинтеза. Ее проект по потоку электронов в фотосинтезе поддерживается пятилетним грантом Программы исследований ранней карьеры Министерства энергетики Министерства энергетики США, который был присужден в 2018 году.