Впервые исследователям из Умео с помощью криогенной электронной микроскопии удалось получить с высоким разрешением изображение фотосистемы II - центрального комплекса фотосинтеза - модельного растения арабидопсис. Огромный комплекс отвечает за выработку жизненно важного кислорода в процессе фотосинтеза, который когда-то сделал возможной жизнь на нашей планете. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Структура дает нам подробную информацию о различных кофакторах, таких как хлорофилл и молекулы липидов в фотосистеме II. Нам также удалось точно показать, где и как детергенты связываются и влияют на стабильность комплекса», - говорит Вольфганг Шредер, профессор кафедры химии Университета Умео в Швеции, руководивший исследованием.
"Экспериментальной крысой" исследователей растений в течение последних 25 лет был кресс-салат арабидопсис thaliana. Причина этого в том, что этот «сорняк» быстро растет даже в наших северных широтах в Швеции и в 2000 году исследователям удалось секвенировать все его гены.
В основе процесса фотосинтеза лежит комплекс Photosystem II. Он содержит почти 30 различных белков и ряд кофакторов, таких как различные пигменты и металлы, и, без сомнения, является одним из крупнейших комплексов в хлоропластах растений. Опубликованная в настоящее время структура из этого исследования имеет такое же высокое разрешение, как и две предыдущие структуры, полученные из шпината и гороха, что впервые позволяет сравнивать комплекс фотосистемы II растений с таким же уровнем детализации.
«Я работал с этим комплексом с тех пор, как в 1983 году стал аспирантом по химии растительных белков в Лундском университете», - говорит Вольфганг Шредер. «Я помню, как аспирант я пошутил во время перерыва на кофе: «Подумайте, не могли бы вы погрузиться в фотосистему II и осмотреться». Перссон, теперь мы можем это сделать."
Технология, которую использовали исследователи, называется криогенной электронной микроскопией (Нобелевская премия по химии 2017 г.), и это вкратце означает, что биологические образцы погружаются в жидкий этан (-190 градусов по Цельсию). Было отобрано около 100 000 двумерных изображений электромагнитных частиц из случайных ориентаций. Используя несколько вычислительных ресурсов, набор 2D-изображений можно использовать для реконструкции трехмерной структуры.
Кроме того, было чрезвычайно интересно убедиться, что наши предыдущие биохимические анализы комплекса были правильными. Обычно привилегия публикации структур такого размера и разрешения предоставляется только более крупным исследовательским группам из разных лабораторий, так как это требует большого количества данных, времени и усилий. В нашем случае мы - четыре исследователя из Умео из сети Integrated Structural Biology, ISB, которые создали эту структуру, так что это «местное» исследование», - с улыбкой говорит Вольфганг Шредер.
Исследование в основном финансируется Фондом Карла Трюггерса. Данные были собраны в Центре электронной микроскопии Умео, UCEM, который является частью Национальной инфраструктуры микроскопии, NMI.