Исследование было опубликовано командой из Рурского университета Бохума (RUB), Института биохимии и биофизики Макса Планка, Центра синтетической микробиологии (SYNMIKRO) и химического факультета Марбургского университета Филиппа, Иллинойского университета Урбана-Шампейн, США и Парижский университет Сакле, Франция, 12 апреля 2021 г. онлайн в журнале Nature Plants.
Катализатор жизни
Фотосистема II (ФС II) имеет фундаментальное значение для жизни, так как способна катализировать расщепление воды. Кислород, выделяющийся в этой реакции, позволяет нам дышать.
Кроме того, PS II преобразует световую энергию таким образом, что атмосферный CO2 можно использовать для синтеза органических молекул. Таким образом, PS II представляет собой молекулярное начало всех пищевых цепей.
Его структура и функция уже были подробно исследованы, но пока мало что известно о молекулярных процессах, которые приводят к упорядоченной сборке комплекса.
Сборочное производство
PS II состоит из более чем 100 отдельных частей, которые должны быть собраны вместе в хорошо организованном процессе, чтобы в конечном итоге создать полностью функциональную машину. Белки-помощники, так называемые факторы сборки, которые отвечают за подэтапы, играют решающую роль в этом процессе. «Представьте их как роботов на конвейере, например, создающих автомобиль», – объясняет профессор Марк Новачик из кафедры биохимии растений RUB. "Каждый робот добавляет деталь или собирает готовые модули, чтобы в итоге получилась идеальная машина."
При выяснении того, как это делается, трудность заключалась в том, чтобы выделить промежуточный продукт, включая его молекулярные помощники, потому что такие переходные состояния очень нестабильны по сравнению с готовым продуктом и присутствуют только в очень малых количествах. Только с помощью уловок, таких как удаление части продукции конвейера, впервые удалось выделить промежуточную стадию с соответствующими вспомогательными белками.
Cold Insights: криоэлектронная микроскопия
Благодаря криоэлектронной микроскопии можно визуализировать чувствительные белковые структуры, которые включают переходные состояния PS II, и даже мельчайшие вирусные частицы.
Данные, опубликованные в Nature Plants, показывают молекулярную структуру переходного комплекса ФС II с целыми тремя белками-помощниками. «Во время построения структурной модели PSII выяснилось, что один из этих вспомогательных белков вызывает ранее неизвестные структурные изменения, которые мы в конечном итоге связали с новым защитным механизмом», – объясняет доктор. Тилль Рудак из Центра диагностики белков (ProDi).
На этом этапе сборки PS II активен лишь частично: процессы, индуцированные светом, уже могут иметь место, но расщепление воды еще не активировано. Это, как оказалось, приводит к образованию агрессивных форм кислорода, способных повредить недостроенный комплекс. Однако связывание вспомогательного белка и связанное с ним структурное изменение в ФС II может предотвратить образование вредных молекул и, следовательно, защитить комплекс в его уязвимой фазе.
Другой вспомогательный белок, в свою очередь, подготавливает активацию механизма расщепления воды. "Как только нам удастся определить какие-либо дальнейшие промежуточные стадии этой активации, это может стать ключом к глубокому пониманию молекулярного расщепления воды под действием света. В результате мы смогли продвинуть разработку синтетических катализаторов для преобразования энергии солнечного света в органические вещества », – заключают авторы.