Каждый день на Землю падает достаточно солнечного света, чтобы многократно снабжать планету энергией - если бы мы только могли более эффективно улавливать всю энергию.
С учетом того, что сегодняшние солнечные панели ограничены своей эффективностью (в настоящее время более 80 процентов доступной солнечной энергии теряется в виде тепла), ученые обращаются к природе как к источнику вдохновения, чтобы лучше понять, как фотосинтезирующие растения и бактерии улавливают солнечный свет.
«Изобретение природой фотосинтеза - это самый важный процесс преобразования энергии, управляющий биосферой, и фотосинтез навсегда изменил атмосферу Земли», - сказал Раймунд Фромме, доцент-исследователь Центра прикладной структурной биологии и биодизайна Института биодизайна АГУ. в Школе молекулярных наук.
Более 3 миллиардов лет назад наша планета имела атмосферу без кислорода. В это время природа придумала способ улавливать солнечный свет и превращать его в пищу, чтобы использовать преимущества этого вечного источника энергии.
Теперь исследовательская группа во главе с Фроммом получила важные новые идеи, решив с почти атомарной ясностью самую первую белковую структуру сердцевинной мембраны простейшей из известных фотосинтезирующих бактерий, называемой Heliobacterium Modesticaldum (Гелиос был греческим богом солнца).).
Разгадывая суть фотосинтеза в этой солнцелюбивой, обитающей в почве бактерии, исследовательская группа Фромме получила фундаментальное новое понимание ранней эволюции фотосинтеза и того, как этот жизненно важный процесс различается между системами растений.
Их открытие дает ученым совершенно новый шаблон для закладки основы для разработки солнечных панелей на органической основе, известных как «искусственные листья» для солнечной энергии, или возможных применений возобновляемого биотоплива.
Выводы опубликованы в сегодняшнем выпуске журнала Science.
Природа знает лучше
ASU уже давно является лидером исследований в области фотосинтеза, начиная с первого десятилетия своего существования в качестве исследовательского университета в 1970-х годах. Это было естественное место для ученых, привлеченных уникальной красотой пустыни Сонора, которая с ее более чем 300 солнечными днями в году является просто лучшим местом в стране для получения солнечной энергии.
Жизненные солнечные батареи, которые ученые называют фотосистемами, используются растениями, водорослями и фотосинтезирующими бактериями как невероятно эффективная система для захвата почти каждого доступного фотона света для роста и процветания, заполняя почти каждый уголок на земле.
Fromme является частью большой исследовательской группы по структурной биологии в ASU, которая неуклонно улучшает свое понимание, фотографируя ключевые белки, которые работают в реакционных центрах фотосинтеза, помогая превращать свет в энергию.
«Чтобы по-настоящему и полностью понять фотосинтез, нужно проследить процесс преобразования света в химическую энергию», - сказал Фромм. «Это одна из самых быстрых химических реакций, когда-либо изученных, и именно поэтому ее так трудно изучать и понимать».
Временные рамки фотосинтеза превращают вспышку молнии в скорость, подобную улитке. Реакции фотосинтеза происходят в масштабе пикосекунд, что составляет одну триллионную долю секунды. Пикосекунда относится к одной секунде так же, как одна секунда к 37 000 лет.
Но структурные биологи ASU используют все более мощную рентгеновскую технологию, чтобы однажды догнать свет, захватив стоп-кадры кристаллизованных белков на протяжении всего процесса.
Молния в бутылке
Пытаясь изучить фотосинтез, Фромм исследовал фотосинтез в его простейшей форме у гелиобактерий, которые впервые были обнаружены в илистых почвах вблизи горячих источников.
Одноклеточные гелиобактерии проще, но принципиально отличаются от растений. Например, при фотосинтезе гелиобактерии используют не воду, как растения, а сероводород. Они растут без кислорода и после фотосинтеза вместо кислорода выделяют серный газ, пахнущий тухлыми яйцами.
Heliobacteria использовали свое уникальное место, чтобы успешно занять свою собственную экологическую нишу, потому что они используют длину волны света, близкую к инфракрасной, для фотосинтеза, что идеально подходит для условий слабого освещения, характерных для таких мест, как Исландия или рисовые поля с мутной водой. Растения просто не выдерживают конкуренции.
Ученые хотели понять, как гелиобактерии достигают этого.
Реакция на действие
В основе фотосинтеза лежит реакционный центр; это сложный комплекс пигментов и белков, которые превращают свет в электроны для питания клетки.
Хлорофилл - это пигмент, который придает растениям зеленый цвет. В растениях хлорофилл улавливает солнечную энергию и использует ее для производства сахаров из углекислого газа из воздуха и воды.
Кислогенный фотосинтез у высших растений, зеленых водорослей и цианобактерий использует фотосистему I (PSI), которая относится к типу I RC, и фотосистему II (PSII), которая относится к типу II RC. Они работают вместе, извлекая электроны из воды в ферредоксин и, наконец, восстанавливая переносчик энергии НАДФ+ в НАДФН.
Напротив, аноксигенные фототрофные бактерии, такие как Heliobacterium Modesticaldum, используют один RC для запуска пути циклического переноса электронов (ET), который создает протон-движущую силу через мембрану, которая используется для управления производством энергии и метаболизм путем синтеза АТФ.
Реакционные центры окружают этих участников подобно клетке, чтобы эффективно улавливать всю доступную энергию и фотоны света, объединяя все элементы в одном месте.
Реакционные центры (RC) бывают двух основных видов кофакторов: железо (тип I) или хинон (тип II).
Гелиобактерии имеют простейший из известных реакционных центров и используют уникальные хлорофиллы.
Открытие гелиобактерий привело к выявлению уникальных характеристик их RC (в 1990-х годах бывший заведующий кафедрой химии ASU Роберт Бланкеншип впервые возглавил группу, которая помогла секвенировать и охарактеризовать RC гелиобактерий).
Гелиобактерии RC были предложены как самые близкие из живых существ к самому раннему общему предку всех фотосинтетических реакционных центров, когда около 3 миллиардов лет назад на ранней Земле были богатые серой моря и мало кислорода.
Но успешная очистка белка RC и выращивание кристаллов, необходимых для рентгеновских экспериментов, может быть длительным и трудным процессом.
В частности, исследовательский проект Фромме был начат семь лет назад, когда исследователь с докторской степенью Иосифина Сарроу впервые улучшила подготовку гелиобактериального реакционного центра. После многих первоначальных попыток кристаллизации был обнаружен заряд кристалла, дифрагирующего рентгеновские лучи.
«Это момент, которого ждет кристаллограф», - сказал Фромм, объясняя, сколько лет потребуется, чтобы вырастить идеальный кристалл белка, пригодный для рентгеновских исследований.
Двое в танго
Вскоре после этих обнадеживающих результатов Кристофер Гизриэль присоединился к команде и улучшил качество дифракции до конечного качества 2,2 Ангстрема.
Тем не менее исследовательская группа не смогла определить кристаллографическую структуру.
Этот перерыв длился два года до августа 2016 года. Потом, наконец, наступил прорыв.
В этот момент «начались захватывающие открытия на неизведанной территории, поскольку каждый новый хлорофилл приветствовался», вспоминал Фромм, и «доказал, что все первоначальные прогнозы относительно RC гелиобактерий были неверны».
Используя рентгеновский свет в усовершенствованном источнике света в Беркли, Калифорния, и луч в усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, Иллинойс, группа Фромма впервые визуализировала RC гелиобактерий с близкого расстояния. -атомное, разрешение 2,2 ангстрема (ангстрем - ширина атома водорода).
Они обнаружили почти идеальную симметрию в RC гелиобактера.
Во-первых, аминокислотный состав пары белков был идентичным, называемым гомодимером.
Это был первый случай, когда было обнаружено, что RC содержит только одну пару белковых гомодимеров для управления фотосинтезом.
Наконец, они сопоставили около 60 хлорофиллов с белковым комплексом RC, что в итоге оказалось намного выше, чем предсказывал его коллега Джон Голбек из Пеннстейтского университета, участвовавший в исследовании.
Димер полипептида ядра и две малые субъединицы координируют 54 (бактерио)хлорофилла и 2 каротиноида, которые захватывают и передают энергию ядру в реакционном центре, который осуществляет разделение заряда, стабилизацию и перенос электронов. Он состоит из 6 (бактерио)хлорофиллов)хлорофиллы и железо-серный кластер; в отличие от других реакционных центров, в нем отсутствует связанный хинон.
Таким образом, структура поддерживает гипотезу о том, что транспорт электронов в HbRC не требует промежуточного кофактора.
«Структуры высокого разрешения были получены из нескольких гетеродимерных (более одного белка) RC (Purplebacter RC, PSI и PSII), но до сих пор не решена структура гомодимерных RC», - сказал Фромм.
Древние истоки фотосинтеза
Более того, с развитием технологии секвенирования ДНК и потенциальной способностью понимать все гены и белки в течение всей жизни, они также проследили эволюцию RC фотосинтеза.
Мог ли этот реакционный центр породить все остальные, что привело к еще большей сложности на протяжении веков?
С точки зрения эволюции это означает, что гелиобактерии RC, возможно, впервые произошли от одного гена.
«Эта структура сохраняет характеристики предкового реакционного центра, обеспечивая понимание эволюции фотосинтеза», - объясняет коллега Фромма Кевин Реддинг. «С учетом новых структур, которые у нас есть, это, безусловно, имело бы смысл для убедительного дела."
Тогда ген мог быть продублирован для увеличения эволюционной сложности.
«Гомодимерные RC почти наверняка предшествовали гетеродимерным RC в эволюции», - сказал Фромм. Дублирование основного гена субъединицы RC с последующим расхождением двух генов позволило бы превратить гомодимерный RC в гетеродимерный. Это, вероятно, произошло по крайней мере в трех отдельных случаях, что привело к созданию всех различных и более сложных реакционных центров, обнаруженных у других фотосинтезирующих бактерий и растений».
Солнце снова взойдет
Группа Фромме воодушевлена потенциалом новых результатов. Такое понимание могло бы однажды помочь исследовательским группам по всему миру построить центр искусственного фотосинтеза, который мог бы помочь в разработке гибридных органических солнечных панелей следующего поколения, возможно, с использованием гелиобактера для увеличения поглощения света и начала повышения эффективности использования солнечной энергии или управления солнечными батареями. технологии возобновляемого биотоплива.
В конце концов, завтра снова взойдет солнце, ожидая появления все новых и новых умных технологий, которые ученые могут придумать, чтобы использовать весь потенциал солнечной энергии.