Как собирается молекулярная машина для превращения света в пищу для растений

Международная исследовательская группа впервые изучила структуру и функцию переходного состояния в синтезе фотосистемы II (PS II) — ключевого белкового комплекса для преобразования света в химическую энергию у растений. Исследование опубликовано 12 апреля 2021 года в журнале Nature Plants.

Катализатор жизни

Фотосистема II (PS II) имеет фундаментальное значение для жизни, так как способна катализировать расщепление воды. Кислород, выделяемый в этой реакции, позволяет нам дышать. Кроме того, PS II преобразует световую энергию так, что атмосферный CO₂ может быть использован для синтеза органических молекул, представляя собой молекулярное начало всех пищевых цепей.

Сборочное производство

PS II состоит из более чем 100 отдельных частей. В их упорядоченной сборке решающую роль играют белки-помощники, так называемые факторы сборки. «Представьте их как роботов на сборочной линии, которые собирают машину», — объясняет профессор Марк Новачик.

Сложность заключалась в изоляции промежуточного продукта вместе с его молекулярными помощниками, так как такие переходные состояния очень нестабильны. Только с помощью специальных методов удалось впервые изолировать промежуточную стадию с ассоциированными вспомогательными белками.

Криогенные прозрения: крио-электронная микроскопия

Благодаря крио-электронной микроскопии удалось получить данные о молекулярной структуре переходного комплекса PS II с тремя белками-помощниками. «Оказалось, что один из этих вспомогательных белков вызывает ранее неизвестные структурные изменения, которые мы связали с новым защитным механизмом», — объясняет доктор Тилль Рудак.

На этой стадии сборки PS II лишь частично активна: светоиндуцированные процессы уже могут происходить, но расщепление воды ещё не активировано. Это приводит к образованию агрессивных форм кислорода, которые могут повредить незавершённый комплекс. Однако связывание белка-помощника и связанное с ним структурное изменение в PS II могут предотвратить образование вредных молекул и защитить комплекс в уязвимой фазе. Другой белок-помощник, в свою очередь, подготавливает активацию механизма расщепления воды.

«Как только нам удастся идентифицировать дальнейшие промежуточные стадии этой активации, это может стать ключом к глубокому пониманию молекулярного светоиндуцированного расщепления воды. В результате мы сможем продвинуться в разработке синтетических катализаторов для преобразования энергии солнечного света в органические вещества», — заключают авторы.