Как растения управляют светом: новые данные о природном механизме производства кислорода

Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США представили новое понимание того, как энергия течёт через одну из важнейших молекулярных машин природы — фотосистему II (PSII).

Эти массивные белковые комплексы в растениях, водорослях и цианобактериях ответственны за критическую реакцию — расщепление воды с использованием солнечного света для производства кислорода. Большинство суперкомплексов PSII существуют в парной форме с двумя реакционными центрами и сетью поглощающих свет белков с хлорофиллом вокруг них. Через серию четырёх недавних статей команда обнаружила удивительно эффективную и гибкую систему транспорта энергии в этих комплексах.

Вместо того чтобы направлять энергию напрямую к реакционным центрам (как в некоторых бактериальных системах), PSII использует плоский, обширный энергетический ландшафт, который позволяет световой энергии исследовать несколько маршрутов, прежде чем зафиксироваться в процессе фотосинтеза. Результат — динамичная система, которая может как эффективно собирать солнечный свет, так и защищать себя от повреждений. Эти качества учёные хотели бы воспроизвести в синтетических светособирающих устройствах, таких как фотокатализаторы и системы искусственного фотосинтеза для производства топлива.

«Фотосистема II не просто собирает солнечный свет — она принимает невероятно умные решения о том, что делать с этой энергией», — сказал Грэм Флеминг, старший научный сотрудник Berkeley Lab.

«Мы выяснили, как природа балансирует между двумя противоречивыми целями: получить максимум от каждого фотона и при этом защитить себя от избытка света».

Кислородный двигатель природы

Суперкомплексы PSII расположены в хлоропластах клеток растений и водорослей. Это единственная система в природе, выполняющая сложную задачу расщепления воды на кислород и водород с помощью солнечного света.

«Это самая важная химическая реакция на планете для всего, что дышит», — отметил Флеминг.

В центре комплекса PSII находятся два реакционных узла, где происходит химия. Вокруг них расположен массив из сотен молекул хлорофилла, которые поглощают свет и передают энергию внутрь. В PSII эта структура необычно плоская, что не выглядит эффективным, но работает невероятно хорошо.

Новые инструменты, глубокие прозрения

Чтобы изучить движение энергии, команда Флеминга использовала инновации в спектроскопии и передовые методы моделирования. Ключевой инструмент, описанный в августовском (2024) исследовании в Journal of Physical Chemistry B, — двумерная электронно-колебательная спектроскопия. Этот метод, разработанный Флемингом, даёт высокое разрешение для отслеживания энергии среди почти идентичных молекул хлорофилла.

В октябрьском (2024) исследовании в Nature Communications команда Berkeley Lab совместно с коллегами из Кембриджского университета построила симуляции энергетического ландшафта PSII. Эти симуляции объяснили, почему плоский дизайн системы на самом деле поддерживает быстрое распространение энергии и предлагает встроенные механизмы защиты от перегрева.

В статье в PNAS за март 2025 года исследователи сообщили, что энергия в PSII не идёт прямым путём к реакционным центрам. Иногда она течёт от них, прежде чем вернуться обратно. Это странное поведение выявило двухфазный процесс: сначала энергия хаотично блуждает (движимая энтропией), и только потом движется более целенаправленно.

Эта «фаза блуждания» оказывается важной. Она даёт системе время оценить интенсивность света и избежать создания вредных побочных продуктов. Если энергия накапливается слишком быстро в одном месте, это может вызвать химический стресс, повреждающий клетку. Но, позволяя энергии бродить, система получает гибкость — она может рассеивать энергию для предотвращения перегрева или направлять её в реакционный центр, когда условия подходящие.

«Вы помещаете энергию близко к тому месту, где, как вам кажется, она должна быть использована, а она на самом деле уходит», — пояснил Флеминг.

Последний элемент головоломки, описанный в апрельском (2025) исследовании в The Journal of Chemical Physics, — первое измерение расстояния, которое энергия может преодолеть внутри PSII (длина диффузии экситона). Используя метод экситон-экситонной аннигиляции, команда обнаружила, что энергия может перемещаться по всему комплексу и даже между двумя его реакционными центрами, что даёт системе ещё больше адаптивности.

Чертеж для лучших технологий

Эти открытия имеют большое значение для создания более умных светособирающих систем.

Сейчас большинство искусственных фотосинтетических систем созданы для грубой эффективности. Но они не умеют хорошо защищаться или адаптироваться к меняющимся условиям. Работа Флеминга показывает, что природа нашла способ делать и то, и другое — давая энергии пространство для исследования, прежде чем указать ей направление.

«Это как иметь очень умный термостат», — сказал Флеминг. — «Вы не просто включаете или выключаете нагрев — вы регулируете его в зависимости от текущих потребностей».

Понимание этих принципов может привести к созданию синтетических систем, которые перераспределяют энергию, чтобы избежать точек отказа.

Есть потенциал и для сельского хозяйства. Растения естественным образом переходят в защитный режим при всплесках света, но медленно возвращаются обратно. Понимание баланса PSII может помочь создать культуры, которые восстанавливаются быстрее. Коллеги Флеминга уже показали, что это может повысить урожайность сои до 25%.

Что дальше?

У исследователей остаются вопросы. Роль и точное расположение важного белка PsbS, который запускает фотозащитный ответ PSII, до сих пор неясны. Флеминг надеется, что будущая работа, возможно с использованием крио-электронной микроскопии на более крупных сборках (мегакомплексах), заполнит пробелы.

«Мы не просто пытаемся скопировать природу — мы пытаемся понять принципы проектирования, которые заставляют её работать так хорошо», — сказал Флеминг. — «Как только мы это сделаем, мы сможем создавать системы, которые не только эффективны, но и умны — способны адаптироваться, реагировать и процветать в реальных условиях, как это делают растения».