Новый молекулярный чертёж углубляет понимание фотосинтеза

Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США использовали один из самых современных микроскопов в мире, чтобы раскрыть структуру крупного белкового комплекса, критически важного для фотосинтеза — процесса, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в клеточную энергию.

Это открытие, опубликованное в журнале Nature, впервые позволит учёным изучить, как функционирует комплекс, и может иметь значение для производства различных биопродуктов, включая альтернативы пластику и биотопливо.

Значение для науки и биотехнологий

Белок, на который нацелились исследователи, называется NADH dehydrogenase-like complex (NDH). Он помогает регулировать фазу фотосинтеза, когда энергия солнечного света захватывается и запасается в виде двух типов молекул клеточной энергии, которые позже используются для преобразования углекислого газа в сахар. NDH перераспределяет возбуждённые электроны между другими белковыми комплексами в хлоропласте, обеспечивая выработку правильного соотношения каждой энергетической молекулы. Кроме того, NDH у цианобактерий выполняет дополнительные роли, включая увеличение количества доступного CO₂ для производства сахара.

Прорыв в технологии микроскопии

Чтобы понять, как NDH выполняет эти функции, учёным был необходим молекулярный чертёж с расположением и связями всех атомов в комплексе. Ранее даже мощная просвечивающая электронная микроскопия (TEM) не могла этого обеспечить.

Ключевым прорывом стала коммерциализация прямого электронного счётчика (direct electron counting camera), разработанного при участии Berkeley Lab. Эта камера делает цифровые видео с чрезвычайно высокой частотой кадров, что позволяет устранить размытие, вызванное движением частиц под лучом электронов.

Результаты исследования

Первый автор работы Томас Лафлин выделил комплексы NDH из мембран фотосинтезирующей цианобактерии и визуализировал их с помощью крио-ТЕМ, оснащённого новейшим прямым электронным детектором. Полученная карта атомной плотности была использована для построения модели NDH, показывающей расположение всех белковых субъединиц и наиболее вероятные позиции всех атомов в комплексе.

Эта модель позволит команде исследователей формулировать и проверять гипотезы о том, как NDH способствует производству сахара, балансируя соотношение двух клеточных энергетических молекул.

Дальнейшие перспективы

Исследование поддерживается пятилетним грантом Программы ранней карьеры (Early Career Research Program) Управления науки Министерства энергетики США. Учёные также используют крио-ЭМ с прямой электронной камерой для изучения того, как изменения в организации фотосинтетических комплексов влияют на эффективность фотосинтеза.