Совместная работа ученых из Федерального исследовательского центра биотехнологии РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН и Научного исследовательского центра «Курчатовский институт» позволила определить структуру одного из наиболее сложных по организации светособирающих комплексов (фикобилисов), характерных для древних цианобактерий. Почти полвека с момента их открытия не представлялось возможным установить строение этой крупной белковой структуры, которая выполняет функцию улавливания света в клетках цианобактерий. Исследование, которое было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science Advances.
Примерно три с половиной миллиарда лет назад возникли цианобактерии — это бактерии, освоившие фотосинтез с выделением кислорода. Согласно преобладающей точке зрения, именно эти организмы стали создателями современной атмосферы, насыщенной кислородом, на нашей планете.
Цианобактерии используют уникальные светособирающие комплексы, состоящие из белков – фикобилисом. Они позволяют улавливать свет и передавать энергию молекулам хлорофилла для осуществления фотосинтеза. Благодаря высокой эффективности этих молекулярных структур, эти древние микроорганизмы смогли адаптироваться к экологическим условиям, где доступность света является основным ограничивающим фактором.
Фикобилисомы из древней цианобактерии Gloeobacter violaceus, объекты, выделяющиеся своей неповторимой организацией, привлекли интерес исследователей. Структура этих объектов не поддавалась определению на протяжении более чем 40 лет с момента их обнаружения.
«Этот проект представлял для нас чрезвычайно сложную задачу, и на пути к его завершению возникало немало трудностей. Культура цианобактерии G. violaceus характеризуется крайне медленным ростом и нуждается в специфических условиях, поэтому в процессе получения биоматериала нам оказали содействие коллеги из Института физиологии растений. Выделенные и очищенные фикобилисомы обладают исключительной хрупкостью и начинают утрачивать свои характеристики уже через несколько дней, поэтому необходима технически сложная процедура фиксации образца, не затрагивающая его структуру и свойства. Сразу стало понятно, почему ранее не удавалось получить структуру именно этих фикобилисов – это крайне сложный для изучения объект. Однако, после полутора лет попыток, мне удалось получить образец высокого качества для исследования его трехмерной структуры» , — юрий Слонимский, научный сотрудник, поделился информацией о своей работе лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН.
Светособирающий комплекс, являющийся объектом исследования ученых, относится к самым крупным известным фикобилисомам цианобактерий. Эта масштабная структура включает в себя более 500 белков, большая часть которых содержит свыше 850 пигментов билинового типа. Для определения атомной структуры столь крупного белкового комплекса биохимики применили криоэлектронную микроскопию, как наиболее подходящий метод в данной ситуации.
«Фикобилисомы, выделенные из G. violaceus, характеризуются размерами, превышающими 45х55 нанометров, что вдвое больше, чем у человеческой рибосомы. Определение структуры этого комплекса потребовало месяцев усердной работы, решения сложных задач и проведения расчетов. Архитектура фикобилисомы отличается сложностью, которая обусловлена так называемыми линкерными белками, структуру которых нам впервые удалось установить. Разнообразие белков и сложность их организации в фикобилисоме вызывают восхищение. Эта удивительная красота и проявление природного гения продолжают удивлять », — пояснила Анна Бурцева, младший научный сотрудник лаборатории инженерной энзимологии ФИЦ Биотехнологии РАН.
Светособирающие белковые комплексы, выполняющие роль «антенн» у цианобактерий, используют особенный механизм для перемещения энергии света внутри организма. В результате исследования ученые детально проанализировали и задокументировали способ, которым поглощенная энергия света передается внутри фикобилисомы G. violaceus. В ходе исследования было установлено, что передача энергии в фикобилисомах регулируется благодаря взаимодействию двух фотоактивных белков, связывающих каротиноиды.
Благодаря всестороннему исследованию, проведенному учеными, удалось впервые воссоздать трехмерную модель сложного светособирающего комплекса, характерного для древнейших цианобактерий, а также описать строение фикобилисов нового типа и механизм их регулирования. Полученные сведения о структуре этого крупного светособирающего комплекса углубляют знания об эволюции фотосинтетического аппарата и открывают возможности для разработки фотоэлементов, имитирующих природные.