Команда ученых из Школы молекулярных наук Университета штата Пенсильвания и Пенсильванского государственного университета приблизила нас к раскрытию секретов фотосинтеза и, возможно, к более чистому топливу.
Их открытие было недавно опубликовано в Интернете в журнале Science и описывает структуру реакционного центра (из гелиобактерии), который сохраняет характеристики предкового центра и, таким образом, обеспечивает новое понимание эволюции фотосинтеза.
Фотосинтез - важнейший биологический процесс, движущий биосферой. Он использует энергию солнечного света и обеспечивает нас основными источниками пищи и топлива. Изучение фотосинтеза позволило ученым не только понять тонкости того, как организмы используют свет для управления своим метаболизмом, но и проложило путь к технологическим достижениям в области устойчивых источников энергии.
«Процесс фотосинтеза впервые возник примерно 3 миллиарда лет назад, до того, как в атмосфере Земли появился кислород», - сказал Кевин Реддинг, профессор Школы молекулярных наук Колледжа свободных искусств и наук, чья группа руководил исследованиями в АГУ. «Фотосинтез работает с использованием специализированных мембранных белков, называемых фотосинтетическими реакционными центрами, которые собирают энергию света и используют ее для перекачивания электронов через биологическую мембрану от одного клеточного переносчика электронов к другому, что приводит к преобразованию электромагнитной (то есть световой) энергии в химическую. энергии, которую может использовать организм."
Большое количество исследований показало, что эти реакционные центры появились на планете только один раз, и с тех пор они расширились, чтобы выполнять различные химические процессы.
Несмотря на диверсификацию, реакционные центры сохраняют одинаковую общую архитектуру, отражающую их общее происхождение. В течение последних 3 миллиардов лет эти белки разрабатывались и изменялись, и было трудно реконструировать то, что произошло за этот огромный период времени. Однако мы знаем, что один из них развил способность окислять воду, выделяя кислород. Это безвозвратно изменило мир и позволило жить такой, какой мы ее знаем сегодня.
Команда считает, что первый реакционный центр (РЦ) был намного проще существующих сегодня версий. С точки зрения структуры белка это был гомодимер, то есть две копии одного и того же полипептида сошлись вместе, образуя симметричную структуру. Все известные нам реакционные центры представляют собой гетеродимеры, в которых эта внутренняя симметрия нарушена, хотя в своей основе они все еще сохраняют остатки исходной симметричной архитектуры.
Гелиобактерия из статьи в Science относится к числу самых примитивных из фотосинтезирующих бактерий, бактерий, которые не производят кислород - на самом деле, они совершенно не переносят кислород, как и первые организмы. Они также не могут улавливать углекислый газ из атмосферы и должны использовать органические источники углерода. Важным для данного исследования является то, что их RC представляет собой гомодимер.
Таким образом, это первая гомодимерная структура RC, и она проливает свет на то, как могли выглядеть предковые RC. Во многом общая архитектура белка очень похожа на фотосистемы растений и цианобактерий, а также на RC пурпурных серных бактерий. Однако на этой общей архитектуре основаны некоторые важные химические различия, которые приводят к тому, что химия отличается от химии известных RC, включая их способность использовать как водорастворимые, так и жирорастворимые носители, способность, которая ранее считалась ограниченной тем или иным. тип RC.
Эта работа является результатом сотрудничества между Кевином Реддингом, Раймундом Фроммом, доцентом-исследователем Школы молекулярных наук и исследователем Центра прикладной структурной биологии Института биодизайна, и Джоном Голбеком из Пенсильванского государственного университета.
Реддинг и Голбек 8 лет назад решили объединить усилия для борьбы с гелиобактериальной RC. Они объединили свои индивидуальные гранты Министерства энергетики в совместный грант, который с тех пор продлевался дважды: третья итерация началась год назад. Фромм официально присоединился к группе около 4 лет назад, хотя ранее он работал над кристаллографией RC с Иосифиной Сарроу, научным сотрудником группы Реддинга, которая оптимизировала его очистку. Работа действительно пошла в гору, когда Кристофер Гизриэль, аспирант группы Реддинга, начал работать с Фроммом над кристаллизацией RC.
«Я благодарю Криса и Раймунда за то, что они сделали все необходимое для создания этой структуры», - сказал Реддинг, который также является директором Центра биоэнергетики и фотосинтеза Университета штата Калифорния.
Опыт Раймунда в области кристаллизации мембранных белков и раскрытия их структуры имел решающее значение. Крис проделал очень тяжелую работу по улучшению очистки, оптимизации условий кристаллизации и многократно переносил свои кристаллы в лучи. А поскольку белок по своей природе чувствителен к кислороду, ему пришлось проводить всю очистку и кристаллизацию в перчаточном боксе!»
«Это момент, которого ждет кристаллограф», - сказал Фромм, объясняя, сколько лет потребуется, чтобы вырастить идеальный кристалл белка, пригодный для рентгеновских исследований.
Реддинг продолжил: «Они смогли повысить качество дифракции с разрешения ~10 Å до 2-2,5 Å за несколько лет очень напряженной работы… а затем возникла геркулесова задача - решить структуру. Крис начал с очень упрощенной модели того, как может выглядеть RC, исходя из ожидаемого сходства с цианобактериальной Photosystem I, а затем постоянно работал над ней в течение нескольких месяцев. Ему пришлось изучать новое программное обеспечение и работать долгими ночами, чтобы добиться этого. у него было что-то, что выглядело реальным, Раймунд смог взять это и вывести на новый уровень, и, работая вместе, они создали действительно красивую структуру с очень высоким разрешением."
«Крис - ветеран армии США, служивший в Афганистане», - сказал Реддинг. «Он пришел в АГУ по специальности биохимия и начал работать в моей лаборатории в качестве студента-исследователя. Прежде он никогда серьезно не рассматривал возможность научной карьеры, он сначала не был уверен, как далеко он хочет пойти по этому пути. Вскоре он проникся к ней интересом, а затем подтолкнул меня к тому, чтобы я позволил ему заняться кристаллографическим проектом RC в качестве студента магистратуры. Я предостерег его от этого, зная, насколько это будет сложно и мало шансов на успех, но он упорствовал, и я в конце концов уступил. Позже он решил получить докторскую степень. Позже в этом семестре он защитит диссертацию, и я очень горжусь им."
«Этот реакционный центр есть только у организмов, которые могут жить в бескислородной среде, например, на ранней Земле», - сказал Гизриэль. «Эта работа открыла перед учеными всего мира возможность сравнить характеристики примитивных реакционных центров с характеристиками более продвинутых реакционных центров, находящихся в толерантных к кислороду организмах. В результате мы получаем более четкое и информированное представление о том, как природа оптимизировала сбор энергии, управляемый светом».