Ученые выяснили, как одноклеточная водоросль использует слабый красный свет в фотосинтезе
Дальний красный свет — это часть красного участка спектра на границе с инфракрасным излучением, с более длинной длиной волны, чем у обычного красного света. Для большинства растений и водорослей он хуже подходит для фотосинтеза, потому что обычный хлорофилл поглощает его слабо.
Источник: Yuki Isaji, Soichiro Seki. Эта одноклеточная водоросль улавливает дальний красный свет, объединяя молекулы хлорофилла в большие кооперативные кластеры внутри своей фотосинтетической "антенны".
МОСКВА, 14 марта. /Новости науки/. Исследователи Университета Осака Метрополитен выяснили, как пресноводная одноклеточная водоросль может использовать для фотосинтеза дальний красный свет, который обычно считается малопригодным для этого процесса, — оказалось, что организм добивается этого не за счет особого хлорофилла, а благодаря необычной организации обычного хлорофилла, пишет
«Хотя некоторые цианобактерии используют специальные формы хлорофилла для поглощения дальнего красного света, многие растения и водоросли достигают того же эффекта, перестраивая обычный хлорофилл a в согласованные комплексы внутри своих фотосинтетических антенн», — приводятся в сообщении слова руководителя работы, доцента Высшей школы наук и Исследовательского центра искусственного фотосинтеза Университета Осака Метрополитен Рицуко Фудзии.
Дальний красный свет — это часть красного участка спектра на границе с инфракрасным излучением, с более длинной длиной волны, чем у обычного красного света. Для большинства растений и водорослей он хуже подходит для фотосинтеза, потому что обычный хлорофилл поглощает его слабо.
Однако именно такой свет преобладает, например, в густой тени лесов и в мутной воде, где растениям и водорослям все равно приходится выживать.
Чтобы понять, как это возможно, ученые изучили пресноводную водоросль Trachydiscus minutus. Этот организм накапливает большое количество светособирающего белка, который способен улавливать дальний красный свет и тем самым помогает водоросли выживать в условиях нехватки освещения.
Исследователи установили, что водоросль образует особую фотосинтетическую антенну — так называемый red-shifted violaxanthin–chlorophyll protein, или rVCP. Этот белковый комплекс поглощает дальний красный свет, хотя содержит только обычный хлорофилл a.
С помощью криоэлектронной микроскопии ученые определили структуру rVCP с высоким разрешением — 2,4 ангстрема. Оказалось, что белок имеет ранее не описанную архитектуру: он образует тетрамер, состоящий из двух разных гетеродимеров.
Такая структура сближает молекулы хлорофилла a настолько, что они начинают работать как крупные согласованные кластеры. Именно это, как показал дальнейший анализ, и позволяет комплексу улавливать дальний красный свет, хотя сам по себе обычный хлорофилл a на это не способен.
Чтобы понять механизм этого эффекта, исследователи совместили структурные данные с многоуровневыми квантово-химическими расчетами. Анализ показал, что главную роль играют три кластера хлорофилла внутри каждого гетеродимера.
«Наш анализ показал, что три кластера хлорофилла внутри каждого гетеродимера играют ключевую роль в поглощении дальнего красного света. Важно, что это поглощение возникает исключительно за счет делокализации энергии между несколькими молекулами хлорофилла и не зависит от эффектов переноса заряда, которые, как считается, лежат в основе работы других похожих систем», — отметила Фудзии.
По словам авторов, работа показывает принципиально иной механизм настройки цвета поглощаемого света: белковая структура очень точно управляет взаимодействием одинаковых молекул хлорофилла, не изменяя их химически. Именно это, вероятно, и помогает таким организмам выживать в сложных условиях слабой освещенности.
Исследователи считают, что открытие может иметь и практическое значение. Некоторые близкие группы водорослей способны накапливать масла, поэтому рассматриваются как перспективные объекты для получения биотоплива. Способность эффективно использовать дальний красный свет может помочь выращивать такие организмы там, где обычный фотосинтез затруднен.
Кроме того, необычная тетрамерная структура rVCP может стать моделью для создания искусственных или улучшенных фотосинтетических систем, в которых светособирающие свойства будут задаваться за счет точной организации пигментов.
Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
«Хотя некоторые цианобактерии используют специальные формы хлорофилла для поглощения дальнего красного света, многие растения и водоросли достигают того же эффекта, перестраивая обычный хлорофилл a в согласованные комплексы внутри своих фотосинтетических антенн», — приводятся в сообщении слова руководителя работы, доцента Высшей школы наук и Исследовательского центра искусственного фотосинтеза Университета Осака Метрополитен Рицуко Фудзии.
Дальний красный свет — это часть красного участка спектра на границе с инфракрасным излучением, с более длинной длиной волны, чем у обычного красного света. Для большинства растений и водорослей он хуже подходит для фотосинтеза, потому что обычный хлорофилл поглощает его слабо.
Однако именно такой свет преобладает, например, в густой тени лесов и в мутной воде, где растениям и водорослям все равно приходится выживать.
Чтобы понять, как это возможно, ученые изучили пресноводную водоросль Trachydiscus minutus. Этот организм накапливает большое количество светособирающего белка, который способен улавливать дальний красный свет и тем самым помогает водоросли выживать в условиях нехватки освещения.
Исследователи установили, что водоросль образует особую фотосинтетическую антенну — так называемый red-shifted violaxanthin–chlorophyll protein, или rVCP. Этот белковый комплекс поглощает дальний красный свет, хотя содержит только обычный хлорофилл a.
С помощью криоэлектронной микроскопии ученые определили структуру rVCP с высоким разрешением — 2,4 ангстрема. Оказалось, что белок имеет ранее не описанную архитектуру: он образует тетрамер, состоящий из двух разных гетеродимеров.
Такая структура сближает молекулы хлорофилла a настолько, что они начинают работать как крупные согласованные кластеры. Именно это, как показал дальнейший анализ, и позволяет комплексу улавливать дальний красный свет, хотя сам по себе обычный хлорофилл a на это не способен.
Чтобы понять механизм этого эффекта, исследователи совместили структурные данные с многоуровневыми квантово-химическими расчетами. Анализ показал, что главную роль играют три кластера хлорофилла внутри каждого гетеродимера.
«Наш анализ показал, что три кластера хлорофилла внутри каждого гетеродимера играют ключевую роль в поглощении дальнего красного света. Важно, что это поглощение возникает исключительно за счет делокализации энергии между несколькими молекулами хлорофилла и не зависит от эффектов переноса заряда, которые, как считается, лежат в основе работы других похожих систем», — отметила Фудзии.
По словам авторов, работа показывает принципиально иной механизм настройки цвета поглощаемого света: белковая структура очень точно управляет взаимодействием одинаковых молекул хлорофилла, не изменяя их химически. Именно это, вероятно, и помогает таким организмам выживать в сложных условиях слабой освещенности.
Исследователи считают, что открытие может иметь и практическое значение. Некоторые близкие группы водорослей способны накапливать масла, поэтому рассматриваются как перспективные объекты для получения биотоплива. Способность эффективно использовать дальний красный свет может помочь выращивать такие организмы там, где обычный фотосинтез затруднен.
Кроме того, необычная тетрамерная структура rVCP может стать моделью для создания искусственных или улучшенных фотосинтетических систем, в которых светособирающие свойства будут задаваться за счет точной организации пигментов.
Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
