Исследователи Центра Джона Иннеса использовали передовой метод микроскопии под названием крио-ЭМ, чтобы изучить, как производятся фотосинтетические белки на атомном уровне, проливая новый свет на эту сверхсилу растений, которая озеленила Землю более миллиарда лет назад.
Исследование, опубликованное в журнале Cell, представляет модель и ресурсы для стимулирования дальнейших фундаментальных открытий в этой области и содействия долгосрочным целям по созданию более устойчивых сельскохозяйственных культур.
Доктор Майкл Вебстер, руководитель группы и соавтор статьи, сказал: «Транскрипция генов хлоропластов является фундаментальным шагом в создании фотосинтетических белков, которые обеспечивают растения энергией, необходимой им для роста. Мы надеемся, что, лучше поняв этот процесс – на детальном молекулярном уровне – мы вооружим исследователей, стремящихся создать растения с более мощной фотосинтетической активностью».
«Самый важный результат этой работы — создание полезного ресурса. Исследователи могут загрузить нашу атомную модель полимеразы хлоропластов и использовать ее для создания собственных гипотез о том, как она может функционировать, и экспериментальных стратегий для их проверки», отметил он.
Фотосинтез происходит внутри хлоропластов, небольших отсеков внутри растительных клеток, содержащих собственный геном, что отражает их прошлое в качестве свободноживущих фотосинтезирующих бактерий до того, как они были поглощены и поглощены растениями.
Группа Вебстера в Центре Джона Иннеса исследует, как растения производят фотосинтетические белки, молекулярные машины, которые осуществляют эту элегантную химическую реакцию, превращая атмосферный углекислый газ и воду в простые сахара и производя кислород в качестве побочного продукта. Первым этапом производства белка является транскрипция, при которой ген считывается для производства «информационной РНК». Этот процесс транскрипции осуществляется ферментом, называемым РНК-полимеразой.
50 лет назад было обнаружено, что хлоропласты содержат собственную уникальную РНК-полимеразу. С тех пор ученые были удивлены тем, насколько сложен этот фермент. Он имеет больше субъединиц, чем его предок, бактериальная РНК-полимераза, и даже больше, чем человеческие РНК-полимеразы.
Группа Вебстера хотела понять, почему хлоропласты имеют такую сложную РНК-полимеразу. Для этого им нужно было визуализировать структурную архитектуру РНК-полимеразы хлоропластов.
Исследовательская группа использовала метод криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ) для получения изображений образцов хлоропластной РНК-полимеразы, очищенной из растений белой горчицы. Обработав эти изображения, они смогли построить модель, содержащую позиции более 50 000 атомов молекулярного комплекса.
Комплекс РНК-полимеразы состоит из 21 субъединицы, закодированной в двух геномах: ядерном и хлоропластном. Тщательный анализ этой структуры во время транскрипции позволил исследователям приступить к объяснению функций этих компонентов.
Модель позволила им идентифицировать белок, который взаимодействует с ДНК во время ее транскрипции и направляет ее к активному сайту фермента. Другой компонент может взаимодействовать с вырабатываемой мРНК, что, вероятно, защищает ее от белков, которые могут ее разрушить, прежде чем она будет транслирована в белок.
Доктор Вебстер сказал: «Мы знаем, что каждый компонент РНК-полимеразы хлоропластов играет жизненно важную роль, поскольку растения, у которых отсутствует какой-либо из них, не могут вырабатывать фотосинтетические белки и, следовательно, не могут стать зелеными. Мы тщательно изучаем атомные модели, чтобы определить роль каждого из 21 компонента сборки».
Первый автор исследования д-р Анхель Вергара-Крусес сказал: «Теперь, когда у нас есть структурная модель, следующим шагом будет подтверждение роли транскрипционных белков хлоропластов. Раскрывая механизмы транскрипции хлоропластов, наше исследование дает представление о его роли в росте растений, их адаптации и реакции на условия окружающей среды».
Первый автор исследования доктор Ишика Праманик комментирует: «В этом замечательном рабочем путешествии было много удивительных моментов, начиная с очень сложной очистки белка и заканчивая получением потрясающих крио-ЭМ изображений этого огромного сложного белка и, наконец, публикация нашей работу в печатной версии».
Доктор Вебстер заключил: «Жара, засуха и засоленность ограничивают способность растений осуществлять фотосинтез. Растения, которые могут надежно производить фотосинтетические белки в условиях стресса окружающей среды, могут по-разному контролировать транскрипцию хлоропластов. Мы с нетерпением ждем возможности увидеть, как наша работа будет использована в важных усилиях по выращиванию более устойчивых культур».
Фото: молекула полимеразы, которая транскрибирует фотосинтетические гены в хлоропластах растений. Изображения отдельных молекул, собранные с помощью электронного микроскопа, были отсортированы и выровнены, чтобы выявить детали структурной архитектуры белкового комплекса. Изображение предоставлено: Майкл Вебстер и Ишика Праманик.
Источник: John Innes Centre.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
