Чтобы выжить в условиях, затрудняющих фотосинтез, некоторые организмы используют уникальные стратегии. Исследователи из Университета Осаки обнаружили, что пресноводная водоросль улавливает дальний красный свет в качестве дополнительного источника энергии, особым образом располагая обычный хлорофилл. Дальний красный свет находится за пределами оптимального для фотосинтеза диапазона для многих организмов. Тем не менее в тенистых лесах и мутной воде, где преобладает этот свет, растения и водоросли все равно осуществляют фотосинтез, создавая жизнь почти из ничего.
«В то время как некоторые цианобактерии используют специализированный хлорофилл для поглощения дальнего красного света, многие растения и водоросли достигают того же эффекта, преобразуя обычный хлорофилл a в кооперативные комплексы в своих фотосинтетических антеннах», — говорит Рицуко Фудзии, ведущий автор исследования.
Хлорофилл a — это пигмент, который сам по себе не может поглощать дальний красный свет. Так как же эти организмы осуществляют фотосинтез?
Команда исследователей искала ответ среди пресноводных эвстигматофитовых водорослей Trachydiscus minutus — организмов, которые накапливают большое количество светособирающего белка, способного улавливать дальний красный свет. Хотя эти водоросли могут осуществлять фотосинтез при нормальном освещении, высокий уровень светособирающего белка особенно полезен для выживания в условиях низкой освещенности.
«Организм вырабатывает специализированную фотосинтетическую антенну под названием белок виолаксантин-хлорофилл с красным смещением (rVCP), которая поглощает дальний красный свет, хотя и содержит только хлорофилл a», — говорит Фудзи.
С помощью криоэлектронной микроскопии исследователи определили структуру белка rVCP с высоким разрешением — 2,4 Å. Было обнаружено, что белок образует ранее неизвестную структуру: тетрамер, состоящий из двух разных гетеродимеров. Благодаря уникальной структуре молекулы хлорофилла a находятся в непосредственной близости друг от друга, что позволяет им образовывать необычно крупные пигментные кластеры.
Чтобы понять, как эта структура влияет на поглощение света, команда объединила структурные данные с квантово-химическими расчетами.
«Анализ показал, что три кластера хлорофилла в каждом гетеродимере играют ключевую роль в поглощении света в дальнем красном диапазоне, — говорит Фудзи. — Важно отметить, что это поглощение происходит исключительно за счет делокализации энергии между несколькими молекулами хлорофилла, независимо от эффектов переноса заряда, которые, как считается, приводят к аналогичному сдвигу спектра в красную область».
Эти открытия свидетельствуют о принципиально ином механизме настройки цвета поглощаемого света, при котором белковая структура точно контролирует взаимодействие между идентичными молекулами хлорофилла, не изменяя пигмент химически. Это объясняет устойчивость этих водорослей к неблагоприятным условиям.
Открытие имеет и практическое значение. Некоторые эвстигматофиты известны способностью накапливать масла, что делает их перспективными кандидатами для производства экологически чистой биоэнергии. Использование организмов, способных эффективно осуществлять фотосинтез при дальнем красном свете, позволит добывать нефть в местах, которые раньше считались непригодными для этого.
Необычная тетрамерная структура рекомбинантного VCP-белка может стать основой для разработки белковых структур. Поскольку расположение пигментов определяется последовательностью аминокислот в белке, эта структура поможет в создании искусственных фотосинтетических систем.
«По мере роста интереса к расширению фотосинтеза в дальнем инфракрасном диапазоне для повышения общей продуктивности фотосинтеза на Земле наша следующая цель — выяснить, как этот комплекс доставляет энергию к фотосистеме и как можно оптимизировать этот механизм», — сказал Фудзи.
Результаты исследования были опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
[Фото: Yuki Isaji, Soichiro Seki]
