Чтобы процветать там, где фотосинтез затруднен, организмы применяют удивительные стратегии. Ученые из Университета Осаки открыли, как пресноводная водоросль захватывает дальний красный свет как ценный источник энергии, уникально организуя обычный хлорофилл. Этот тип света лежит за пределами оптимального диапазона фотосинтеза для многих существ. Однако в сумрачных лесах и мутных водах, где он преобладает, растения и водоросли успешно создают жизнь, почти из ничего.
В то время как цианобактерии применяют специализированный хлорофилл для поглощения дальнего красного света, многие растения и водоросли достигают аналогичного эффекта, преобразуя хлорофилл a в кооперативные комплексы внутри фотосинтетических антенн.
Хлорофилл a сам по себе не способен поглощать дальний красный свет. Как же тогда эти организмы осуществляют фотосинтез?
Ключ к выживанию: Trachydiscus minutus
Ответ ученые нашли у пресноводной эвстигматофитовой водоросли Trachydiscus minutus. Этот организм накапливает огромное количество светособирающего белка, улавливающего дальний красный свет. Хотя водоросль фотосинтезирует при обычном свете, высокий уровень этого белка критически важен для выживания в условиях слабой освещенности.
Организм производит специализированную фотосинтетическую антенну — белок виолаксантин-хлорофилл с красным смещением (rVCP). Она поглощает дальний красный свет, содержа при этом лишь хлорофилл a.
Уникальная структура белка rVCP
Используя криоэлектронную микроскопию, исследователи определили структуру белка rVCP с высоким разрешением. Белок формирует ранее неизвестную структуру: тетрамер, состоящий из двух разных гетеродимеров. Благодаря этой уникальной архитектуре молекулы хлорофилла a находятся очень близко, образуя необычно крупные пигментные кластеры.
Чтобы понять влияние структуры на поглощение света, команда объединила структурные данные с квантово-химическими расчетами.
Механизм поглощения света
Анализ выявил, что три кластера хлорофилла в каждом гетеродимере играют ключевую роль в захвате дальнего красного света. Важно, что это поглощение происходит исключительно через делокализацию энергии между несколькими молекулами хлорофилла, без эффектов переноса заряда, которые ранее считались причиной подобного красного смещения.
Эти данные указывают на принципиально новый механизм настройки цвета поглощаемого света. Белковая структура точно контролирует взаимодействие идентичных молекул хлорофилла, не изменяя их химически. Это объясняет замечательную устойчивость водорослей к сложным условиям.
Перспективы для биоэнергии
Открытие имеет огромное практическое значение. Некоторые эвстигматофиты известны способностью накапливать масла, что делает их перспективными кандидатами для производства чистой биоэнергии. Использование организмов, эффективно фотосинтезирующих при дальнем красном свете, позволит выращивать биомассу для топлива в ранее непригодных местах.
Основа для искусственных систем
Необычная тетрамерная структура рекомбинантного белка VCP может стать основой для разработки новых белковых конструкций. Поскольку расположение пигментов определяется аминокислотной последовательностью белка, эта структура открывает путь к созданию высокоэффективных искусственных фотосинтетических систем.
С ростом интереса к расширению фотосинтеза в дальний инфракрасный диапазон для повышения продуктивности, следующая цель — понять, как этот комплекс передает энергию фотосистеме и как оптимизировать этот механизм.
Источник: scientificrussia.ru
