Молекулярная «схема» показывает, как растения воспринимают свет

Растения полагаются на способность чувствовать свет для выживания. В отличие от животных, у них нет глаз с фоторецепторами. Вместо этого растения покрыты сетью светочувствительных фоторецепторов, которые обнаруживают разные длины волн света, что позволяет регулировать жизненные циклы и адаптироваться к условиям среды.

Ученые из Института Ван Андела и Вашингтонского университета определили молекулярную структуру одного из этих жизненно важных фоторецепторов — белка PhyB. Оказалось, что его структура полностью отличается от той, что была известна ранее. Результаты, опубликованные в Nature, могут иметь значение для сельского хозяйства и «зеленой» биоинженерии.

«Фоторецепторы, такие как PhyB, помогают растениям ощущать и реагировать на окружающий мир, влияя на такие жизненно важные процессы, как избегание тени, прорастание семян, определение времени цветения и развитие хлоропластов, которые преобразуют свет в полезную энергию», — сказал соавтор исследования профессор Хуилин Ли. — «Наша новая структура проливает свет на то, как работает PhyB, и имеет потенциал для множества применений в сельском хозяйстве, возобновляемой энергии и даже в клеточной визуализации».

Понимание формы PhyB важно, потому что его структура напрямую влияет на взаимодействие с другими молекулами для передачи информации об изменении световых условий и помощи растениям в адаптации через изменения в экспрессии генов. Предыдущие исследования PhyB давали лишь усеченный снимок, а не детальное изображение всей молекулы.

Для получения изображения PhyB с почти атомарным разрешением Ли и его коллега Ричард Д. Виерстра использовали одно из самых изученных растений на Земле — скромный сорняк Arabidopsis thaliana. Это небольшое цветковое растение является идеальной моделью для исследований, потому что быстро размножается, имеет малый размер и легко выращивается.

Используя мощный крио-электронный микроскоп (cryo-EM), исследовательская группа сделала почти 1 миллион снимков частиц PhyB, связанного с его естественным хромофором — молекулой, которая поглощает свет определенного цвета. Затем они сузили выборку до 155 000 изображений, которые использовали для построения полной визуализации структуры PhyB на почти атомарном уровне в 3.3 Åнгстрема. Их работа выявила неожиданность: вместо параллельной структуры, описанной в более ранних исследованиях, они обнаружили сложную 3D-структуру как с параллельными, так и с антипараллельными участками. Полученные данные позволяют предположить, что PhyB может усиливать небольшие изменения в светочувствительных хромофорных молекулах и резко менять свою форму в ответ — это действие сообщает растению о доступности света.

Это открытие является результатом более чем десятилетнего сотрудничества между Ли и Виерстрой и революционизирует наши знания о PhyB и фитохромах — семействе рецепторов, к которому он принадлежит. До сих пор считалось, что PhyB и другие фитохромы, вероятно, похожи на те, что используются одноклеточными организмами, такими как некоторые бактерии. Новые результаты опровергают эту теорию и закладывают основу для дальнейших исследований тонких деталей функции PhyB и фитохромов.