Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН и НИЦ «Курчатовский институт» расшифровали структуру одного из самых сложных по своей архитектуре светособирающих комплексов (фикобилисом) древних цианобактерий. Строение этой гигантской белковой конструкции, улавливающей свет в клетках цианобактерий, не удавалось установить почти полвека с момента их обнаружения. Результаты исследования, поддержанного грантомРоссийского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science Advances.
Около трех с половиной миллиардов лет назад появились цианобактерии — группа бактерий, которая научилась проводить фотосинтез, сопровождающийся выделением кислорода. Именно они, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле.
Цианобактерии имеют особые светособирающие «антенны» из белков — фикобилисомы, которые помогают улавливать свет и передавать его энергию на молекулы хлорофилла для фотосинтеза. Высокая эффективность работы таких молекулярных конструкций позволила этим древнейшим микроорганизмам занять экологические ниши, в которых количество света является лимитирующим фактором среды.
Фикобилисомы из древней цианобактерии Gloeobacter violaceus, которые уникальны по своему строению, оказались в центре внимания ученых. Их структуру более 40 лет с момента обнаружения не удавалось установить.
«Для нас это был невероятно амбициозный проект, и на пути к его реализации стояло сразу множество преград. Культура цианобактерии G. violaceus крайне медленно растет и требует особого подхода, так что с процессом получения биоматериала нам помогли коллеги из Института физиологии растений. Сами выделенные и очищенные фикобилисомы чрезвычайно хрупкие, начинают терять свои свойства в течение нескольких дней, поэтому требуется технически сложная процедура фиксации образца, однако без нарушения его структуры и свойств. Нам сразу стало ясно, почему до сих пор не было получено структуры именно этих фикобилисом, это невероятно капризный для изучения объект. Тем не менее, после полутора лет попыток мне, наконец, удалось получить образец высокого качества для исследования его трехмерной структуры», — рассказал о своей работе Юрий Слонимский, научный сотрудник лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН.
Изучаемый учеными светособирающий комплекс является одним из самых крупных известных фикобилисом цианобактерий. Эта гигантская конструкция состоит из более 500 белков, большая часть которых несет суммарно более 850 пигментов билиновой природы. И чтобы установить полноатомную структуру такого крупного белкового комплекса, биохимики использовали единственный возможный в этом случае способ — криоэлектронную микроскопию.
“Фикобилисомы из G. violaceus имеют линейные размеры более 45х55 нанометров, то есть вдвое больше человеческой рибосомы. На решение задачи по определению структуры такого комплекса потребовались месяцы кропотливой работы, головоломок и вычислений. Фикобилисома имеет сложную архитектуру, уникальность которой обеспечивается так называемыми линкерными белками, структуру которых нам удалось определить впервые. Многообразие белков и сложность их организации в фикобилисоме поражают воображение. Эта невероятная красота и гений природы не перестают удивлять”, — рассказала Анна Бурцева, младший научный сотрудник лаборатории инженерной энзимологии ФИЦ Биотехнологии РАН.
Светособирающие белковые «антенны» цианобактерий обладают уникальным механизмом транспортировки энергии света внутри микроорганизма. В ходе исследования ученые подробно изучили и описали этот путь передачи поглощенной энергии света у фикобилисомы G. violaceus. Кроме того, исследователи выявили особенности регуляции переноса энергии фикобилисомами под действием уникального дуэта из фотоактивных каротиноид-связывающих белков.
Комплексное исследование, проведенное учеными, позволило впервые создать трехмерную структуру сложного светособирающего комплекса древнейших цианобактерий, описать детальное строение фикобилисом нового типа и их способ регуляции. Понимание структуры этого гигантского светособирающего комплекса расширяет представления о процессе эволюции фотосинтетического аппарата и может быть использовано для создания природоподобных фотоэлементов.