Исследователи из Университета Квинсленда (UQ) и Университета Мюнстера (WWU) очистили и визуализировали суперкомплекс «Циклический поток электронов» (CEF), важнейшую часть фотосинтетического механизма всех растений, в открытие, которое может помочь в разработке солнечных биотехнологий следующего поколения.
Выводы, сделанные в сотрудничестве с международной группой ученых из университетов Базеля, Окаямы и Нового Южного Уэльса, были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences и дают новое представление о процессе фотосинтеза. на молекулярном уровне.
"К 2050 году нам потребуется на 50% больше топлива, на 70% больше еды и на 50% больше чистой воды. Технологии, основанные на фотосинтезирующих микроводорослях, потенциально могут сыграть важную роль в удовлетворении этих потребностей", говорит профессор Бен Ханкамер, который работает в Институте молекулярной биологии UQ и руководит Центром солнечной биотехнологии. Биотехнологии на основе микроводорослей на солнечной энергии будут развиваться благодаря лучшему пониманию того, как эти организмы улавливают и хранят солнечную энергию на молекулярном уровне.
За три миллиарда лет растения, водоросли и сине-зеленые бактерии развили сложный наномеханизм, позволяющий им осуществлять фотосинтез, при котором солнечная энергия улавливается и сохраняется в виде химической энергии.
Эта химическая энергия принимает форму молекул АТФ и НАДФН, которые необходимы для огромного количества клеточных процессов.
«АТФ и НАДФН позволяют фотосинтезирующим организмам расти, и по мере их роста они производят атмосферный кислород, а также пищу и топливо, которые поддерживают жизнь на Земле», - говорит профессор Хипплер из Института биологии растений WWU. и биотехнология.
Фотосинтез протекает в двух режимах: линейный поток электронов (LEF) и циклический поток электронов (CEF). Чтобы эффективно работать в постоянно меняющихся условиях освещения, фотосинтезирующий организм должен сбалансировать поглощаемый им свет с необходимой ему энергией, АТФ и НАДФН. Это достигается за счет непрерывной точной настройки уровней этих двух режимов по отношению друг к другу.
Биохимические данные свидетельствуют о том, что большая макромолекулярная сборка, называемая суперкомплексом циклического электронного потока (CEF), играет решающую роль в этом процессе тонкой настройки. Однако из-за его динамической природы было трудно очистить этот суперкомплекс. для определения структуры», - говорит профессор Ханкамер.
Чтобы решить эту проблему, команда использовала сложные методы для очистки и характеристики суперкомплекса CEF от микроводорослей, а затем проанализировала его структуру с помощью электронной микроскопии.
Исследователи тщательно изучили около полумиллиона белковых комплексов, извлеченных из микроводорослей, в поисках суперкомплекса. Только около тысячи из них оказались суперкомплексом CEF.
Структурный анализ показал, как светособирающие комплексы, компоненты фотосистемы I и цитохрома b6f собираются в суперкомплекс CEF и как их расположение позволяет им динамически соединяться и разъединяться для выполнения различных функций, которые позволяют организму адаптироваться к различным условиям освещения. и потребности в энергии.
Эта информация в сочетании с дополнительными экспериментальными данными позволила исследователям предложить новую гипотезу о том, как работает суперкомплекс CEF.
«Суперкомплекс CEF является прекрасным примером эволюционно высоко консервативной структуры», - говорит профессор Хипплер, объясняя, что он, по-видимому, сохранился у многих растений и водорослей и, вероятно, не претерпел существенных изменений за миллионы лет.
«Эта работа занимает центральное место в усилиях Центра солнечной биотехнологии по разработке солнечных биотехнологий и отраслей промышленности следующего поколения», - объясняет профессор Ханкамер.
Центр расширился и теперь включает 30 международных команд из Европы, Азии, США, Австралии и Новой Зеландии и занимается разработкой биотехнологий следующего поколения, основанных на солнечной энергии, на основе фотосинтезирующих зеленых водорослей.
Команда стремится оптимизировать фотосинтетический механизм зеленых водорослей для создания технологий, которые помогут удовлетворить растущие потребности мира в энергии, еде и воде, говорит профессор Ханкамер.
"Для достижения этих целей нам необходимо понять, как процессы фотосинтеза работают на молекулярном уровне", - говорит он.
Эта новая информация поможет разработать технологии улавливания солнечной энергии следующего поколения, основанные на микроводорослях, а также широкий спектр биотехнологий и отраслей, использующих солнечную энергию, для производства дорогостоящих продуктов, продуктов питания, топлива и чистой воды. Извлечение CO2 из атмосферы, его использование и хранение также являются интересными областями, поскольку международное сообщество разрабатывает решения для борьбы с изменением климата.