Новый молекулярный проект продвигает наше понимание в фотосинтезе. Исследователи из Национальной лаборатории Министерства энергетики им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) использовали один из самых современных микроскопов в мире для выявления структуры большого белкового комплекса, важного для фотосинтеза, процесса, благодаря которому растения преобразуют солнечный свет в клеточную энергию.

Крио-ЭМ структура NAD (P) H дегидрогеназоподобного комплекса (NDH). Модель координат атомов показана в виде сфер, окрашенных в соответствии с различными субъединицами, перед электронной микрофотографией замороженных частиц NDH на заднем плане. Фото: Томас Лафлин / UC Berkeley и Berkeley Lab

Результаты, опубликованные в журнале Nature, позволят ученым впервые исследовать, как комплекс функционирует и может иметь значение для производства разнообразных биопродуктов, включая пластмассовые альтернативы и биотопливо.

«Эта работа приведет к лучшему пониманию того, как происходит фотосинтез, что может позволить нам повысить эффективность фотосинтеза у растений и других зеленых организмов – потенциально увеличивая количество пищи и, следовательно, биомассу, которую они производят», – сказал ведущий исследователь Карен Дэвис, биофизик из лаборатории Беркли. «Это особенно важно, если вы хотите производить возобновляемые биопродукты, которые являются экономически эффективной альтернативой существующим продуктам на основе нефти».

Известно, что обнаруженный десятилетия назад белковый комплекс, на который нацелены исследователи, называется NADH-дегидрогеназоподобным комплексом (NDH) и помогает регулировать фазу фотосинтеза, когда энергия солнечного света улавливается и накапливается в двух типах клеточных энергетических молекул, которые позже используется для преобразования углекислого газа в сахар. Предыдущие исследования показали, что NDH переставляет энергичные электроны, движущиеся среди других белковых комплексов в хлоропласте, таким образом, чтобы обеспечить правильное соотношение каждой молекулы энергии. Кроме того, NDH цианобактерий выполняет несколько дополнительных функций, включая увеличение количества углекислого газа (CO2), доступного для производства сахара, путем связывания поглощения CO2 с переносом электронов.

Для того, чтобы ученые могли по-настоящему понять, как NDH выполняет эти важные функции, им был нужен молекулярный проект, указывающий местоположение и связность всех атомов в комплексе. Это то, что даже очень мощная технология просвечивающей электронной микроскопии (TEM) просто не могла обеспечить до самого недавнего времени.

«Исследования на этом ферменте были трудными, а экспериментальные результаты не совпадали в течение последних 20 лет, потому что нам не хватало полной информации о структуре фермента», – сказал Дэвис. «Знание структуры важно для генерации и проверки гипотез о том, как функционирует фермент. Разрешение, которое мы получили для нашей структуры NDH, действительно было достижимо только после коммерциализации камеры прямого электронного счета, разработанной в сотрудничестве с Berkeley Lab».

Мультипликационная схема цепи переноса электронов фотосинтеза

Мультипликационная схема цепи переноса электронов фотосинтеза, в которой энергия солнечного света создает высокоэнергетические электроны, которые перемещаются между различными белковыми комплексами. Процесс электронного шаттла связан с протонными накачками, которые приводят к образованию АТФ синтазой АТФ. Электрон может течь линейно, приводя в действие NADPH, или он может циклически перемещаться между фотосистемой I и NDH для ускорения синтеза АТФ. Фото: Томас Лафлин / UC Berkeley и Berkeley Lab

До этого изобретения объяснил Дэвис, штатный сотрудник Отдела молекулярной биофизики и интегральной биоизображения (MBIB) лаборатории Berkeley Lab, определение структуры отдельной молекулы может занять несколько лет, потому что крио-ПЭМ изображение основано на пленке, что означает, что каждое воздействие должно было разрабатываться и сканироваться, прежде чем его можно будет проанализировать. Однако основным ограничением было то, что большинство изображений получались размытыми. Когда вы направили пучок электронов на молекулу, заряженные частицы с высокой энергией возбуждали атомы в молекуле, часто заставляя их двигаться в момент воздействия. Это означало, что исследователи должны были взять и обработать сотни, если не тысячи, пленочных изображений, чтобы получить точное представление о всей молекуле.

Новая камера для подсчета электронов решает эту проблему, снимая цифровые фильмы с чрезвычайно высокой частотой кадров, поэтому отдельные кадры можно выравнивать, чтобы устранить размытость, вызванную движением частиц, вызванным пучком.

В текущем исследовании первый автор Томас Лафлин, аспирант Калифорнийского университета в Беркли с совместным назначением в MBIB, выделил комплексы NDH из мембран фотосинтетической цианобактерии, предоставленной Лабораторией Junko Yano и Vittal Yachandra в MBIB, и изобразил их, используя состояние – современный инструмент для крио-ТЕМ, оснащенный новейшим детектором прямых электронов. Располагаясь в кампусе Калифорнийского университета в Беркли, крио-ТЕМ управляется консорциумом Bay Area CryoEM, который частично финансируется Berkeley Lab.

Полученная карта плотности атомов была затем использована для построения модели NDH, которая показывает расположение всех белковых субъединиц NDH и наиболее вероятное положение всех атомов в комплексе. Изучив эту модель, команда Дэвиса сможет сформулировать, а затем проверить гипотезы о том, как NDH способствует производству сахара, уравновешивая соотношение двух клеточных молекул энергии.

«Хотя сама структура NDH, безусловно, решает многие вопросы, я думаю, что она подняла еще несколько, которые мы даже не думали рассматривать ранее», – сказал Лафлин.

Среди многих ученых лаборатории Беркли, сосредоточенных на расширении знаний о фундаментальных биохимических и биофизических процессах, Дэвис и ее сотрудники также используют крио-ЭМ с прямой электронной камерой для исследования того, как изменения в организации фотосинтетических комплексов, вызванные изменениями роста и условий освещения, влияют на эффективность фотосинтеза. Ее проект по электронному потоку при фотосинтезе поддерживается пятилетним грантом Программы исследований ранней карьеры Министерства образования США, который был присужден в 2018 году.

По материалам phys.org