"Быть застрявшим дома было замаскированным благословением, поскольку не было никаких экспериментов, которые можно было бы провести. У нас были только компьютеры и много времени », – говорит профессор Пол Карми, структурный биолог и молекулярный биофизик из UNSW Sydney.
Проф.
Курми имеет в виду исследование, опубликованное в этом месяце в Nature Communications, в котором подробно рассказывается о кропотливом разгадывании и реконструкции ключевого белка в одноклеточном фотосинтетическом организме, называемом криптофитом, типом водорослей, который развился более миллиарда лет назад.
До сих пор молекулярные биологи ломали голову над тем, как криптофиты приобретали белки, используемые для улавливания и отвода солнечного света для использования в клетке.
Они уже знали, что белок был частью своего рода антенны, которую организм использовал для преобразования солнечного света в энергию. Они также знали, что криптофиты унаследовали некоторые компоненты антенн от своих фотосинтетических предков – красных водорослей, а до этого цианобактерии, одна из самых ранних форм жизни на Земле, ответственных за строматолиты.
Но то, как белковые структуры сочетаются друг с другом в новой антенной структуре криптофита, оставалось загадкой – до тех пор, пока проф. Курми, аспирант Гарри Рэтбоун и его коллеги из Университета Квинсленда и Университета Британской Колумбии изучили изображения антенного белка, полученные с помощью электронного микроскопа, из организма-прародителя красных водорослей, опубликованные китайскими исследователями в марте 2020 года.
Раскрытие тайны означало, что команда наконец-то смогла рассказать историю о том, как этот белок позволил этим древним одноклеточным организмам процветать в самых суровых условиях – метров под водой с очень небольшим количеством прямого солнечного света для преобразования в энергию.
Проф. Курми говорит, что основное значение этой работы имеет для эволюционной биологии.
«Мы обеспечиваем прямую связь между двумя очень разными антенными системами и открываем дверь для того, чтобы точно узнать, как одна система превратилась в другую – где обе оказались очень эффективными в улавливании света», – говорит он.
«Фотосинтезирующие водоросли имеют множество различных антенных систем, которые обладают свойством захватывать каждый доступный световой фотон и передавать его белку фотосистемы, который преобразует световую энергию в химическую энергию."
Работая над пониманием систем водорослей, ученые надеются раскрыть фундаментальные физические принципы, лежащие в основе исключительной фотонной эффективности этих фотосинтетических систем. Проф. Курми говорит, что однажды они могут найти применение в оптических устройствах, включая системы солнечной энергии.
ЕДА ДЛЯ ДВОИХ
Чтобы лучше понять значение открытия белка, оно помогает понять очень странный мир одноклеточных организмов, которые выводят пословицу «вы есть то, что вы едите» на новый уровень.
Как объясняет ведущий автор исследования, аспирант Гарри Рэтбоун, когда одноклеточный организм заглатывает другой, он может вступить в отношения эндосимбиоза, когда один организм живет внутри другого, и эти два организма становятся неразделимы.
"Часто с водорослями они идут и находят обед – другую водоросль – и решают не переваривать ее.
По сути, они заставят его выполнять его распоряжения ", – говорит Рэтбоун. "И эти новые организмы могут быть проглочены другими организмами таким же образом, как матрешка."
Фактически, это вероятно то, что произошло, когда около полутора миллиардов лет назад цианобактерия была проглочена другим одноклеточным организмом.
У цианобактерий уже была сложная антенна из белков, которая улавливала каждый фотон света. Но вместо того, чтобы переваривать цианобактерии, организм-хозяин фактически разделил ее на части, сохранив структуру антенного белка, которую новый организм – красные водоросли – использовал для получения энергии.
И когда другой организм проглотил красную водоросль, чтобы стать первым криптофитом, произошла похожая история. За исключением того, что на этот раз антенна была перенесена на другую сторону мембраны организма-хозяина и полностью преобразована в новые формы белка, которые были столь же эффективны при улавливании фотонов солнечного света.
ЭВОЛЮЦИЯ
Как проф.
Курми объясняет, что это были первые крошечные шаги к эволюции современных растений и других фотосинтезирующих организмов, таких как морские водоросли.
"При переходе от фотосинтезирующих цианобактерий ко всему остальному на планете, что является фотосинтетическим, какой-то древний предок поглотил цианобактерии, которые затем стали хлоропластом клетки, преобразующим солнечный свет в химическую энергию.
"И сделка между организмами вроде как: я буду держать вас в безопасности, пока вы занимаетесь фотосинтезом и даете мне энергию."
Один из сотрудников этого проекта, доктор Беверли Грин, почетный профессор факультета ботаники Университета Британской Колумбии, говорит, что профессор. Курми смог сделать открытие, подойдя к проблеме под другим углом.
«Новый подход Пола заключался в поиске предковых белков на основе формы, а не сходства в аминокислотной последовательности», – говорит она.
«Путем поиска в трехмерных структурах двух мультибелковых комплексов красных водорослей сегменты белка, которые складываются таким же образом, как и белок криптофита, он смог найти недостающий фрагмент головоломки."