Их открытие было недавно опубликовано в Интернете в журнале Science и описывает структуру реакционного центра (из гелиобактерий), который сохраняет характеристики предкового центра и, таким образом, дает новое понимание эволюции фотосинтеза.
Фотосинтез — важнейший биологический процесс, движущий биосферой. Он использует энергию солнечного света и обеспечивает нас основными источниками пищи и топлива.
Изучение фотосинтеза позволило ученым не только понять тонкости того, как организмы используют свет для управления своим метаболизмом, но и проложило путь для технологических достижений в области устойчивых источников энергии.
«Процесс фотосинтеза впервые возник примерно 3 миллиарда лет назад, до того, как атмосфера Земли содержала кислород», — сказал Кевин Реддинг, профессор Школы молекулярных наук в Колледже свободных искусств и наук, группа которого возглавляет исследования в АГУ. «Фотосинтез работает с использованием специализированных мембранных белков, называемых центрами фотосинтетической реакции, которые собирают энергию света и используют ее для перекачки электронов через биологическую мембрану от одного клеточного переносчика электронов к другому, что приводит к преобразованию электромагнитных (т. Е.е. свет) энергия в химическую энергию, которую организм может использовать."
Многочисленные исследования показали, что эти реакционные центры появились на планете всего один раз и с тех пор разносторонне развились, чтобы выполнять различные виды химии.
Несмотря на диверсификацию, реакционные центры сохраняют общую архитектуру, отражающую их общее происхождение. В течение последних 3 миллиардов лет эти белки были разработаны и изменены, и было трудно реконструировать то, что произошло за этот огромный период времени.
Однако мы знаем, что один из них развил способность окислять воду, выделяя кислород. Это безвозвратно изменило мир и позволило жить такой, какой мы ее знаем сегодня.
Команда считает, что первый реакционный центр (RC) был намного проще, чем версии, существующие сегодня. Что касается структуры белка, это был гомодимер, то есть две копии одного и того же полипептида собрались вместе, чтобы сформировать симметричную структуру.
Все реакционные центры, структуры которых мы знаем, являются гетеродимерами, в которых эта внутренняя симметрия была нарушена, хотя в своей основе они все еще сохраняют остатки исходной симметричной архитектуры.
Heliobacterium из статьи в Science является представителем самых примитивных фотосинтетических бактерий, бактерий, которые не производят кислород — фактически, они совершенно не переносят кислород, как и первые организмы. Они также не могут связывать углекислый газ из атмосферы и должны использовать источники органического углерода. Важным для данного исследования является то, что их RC является гомодимером.
Таким образом, это первая гомодимерная структура RC, и она несколькими способами проливает свет на то, как мог выглядеть предковый RC. В некоторых отношениях общая архитектура белка очень похожа на фотосистемы растений и цианобактерий и RC пурпурных серных бактерий. Однако на этой общей архитектуре построены некоторые важные химические различия, которые приводят к химическому составу, отличному от химического состава известных RC, включая их способность использовать как водорастворимые, так и жирорастворимые носители, причем ранее считалось, что эта способность ограничивается одним или другим. тип RC.
Эта работа является результатом сотрудничества между Кевином Реддингом, Раймундом Фромми, доцентом-исследователем Школы молекулярных наук и исследователем Центра прикладной структурной биологии Института биодизайна, и Джоном Голбеком из Университета штата Пенсильвания.
Реддинг и Голбек 8 лет назад решили объединить усилия для борьбы с гелиобактериальным RC. Они объединили свои индивидуальные гранты Министерства энергетики в совместный грант, который с тех пор продлевался дважды: третья итерация началась год назад.
Фромми официально присоединился к группе около 4 лет назад, хотя ранее он работал над кристаллографией RC вместе с Иосифиной Сарроу, докторантом в группе Реддинга, которая оптимизировала его очистку. Работа по-настоящему взлетела, когда Кристофер Гизриэль, докторант в группе Реддинга, начал работать с Фромми над кристаллизацией RC.
«Я благодарен Крису и Раймунду за то, что они сделали все необходимое, чтобы получить эту структуру», — сказал Реддинг, который также является директором Центра биоэнергетики и фотосинтеза при АГУ.
«Опыт Раймунда в кристаллизации мембранных белков и решении их структуры имел решающее значение. Крис проделал очень тяжелую работу по улучшению очистки, оптимизации условий кристаллизации и много раз доставлял свои кристаллы на конвейеры.
А поскольку белок по своей природе чувствителен к кислороду, ему пришлось проводить всю очистку и кристаллизацию в перчаточном ящике!"
«Это тот момент, которого ждет кристаллограф», — сказал Фромми, объясняя, сколько лет потребуется, чтобы вырастить идеальный кристалл протеина, пригодный для рентгеновских исследований.
Реддинг продолжил: «Они смогли получить качество дифракции от ~ 10 А до 2-2.5 А за несколько лет очень упорной работы … а затем пришла титаническая задача решить структуру.
Крис начал с очень урезанной модели того, как может выглядеть RC, основываясь на ожидаемом сходстве с цианобактериальной Фотосистемой I, а затем постоянно работал над ней в течение нескольких месяцев. Ему пришлось изучать новое программное обеспечение и работать долгими ночами, чтобы добраться туда.
Как только у него было что-то, что выглядело реальным, Раймунд смог взять это и вывести на новый уровень. Вместе они создали поистине красивую структуру в очень высоком разрешении."
"Крис — ветеран U.S.
Армия, служившая в Афганистане ", — сказал Реддинг. "Он пришел в АГУ по специальности биохимия и начал работать в моей лаборатории в качестве студента-исследователя. Никогда раньше серьезно не рассматривая возможность карьеры исследователя, он сначала не был уверен, насколько далеко он хочет пойти по этому пути. Однако вскоре у него появился вкус к этому, а затем он подтолкнул меня разрешить ему заняться проектом RC-кристаллографии в качестве магистранта. Я предостерегал его от этого, зная, насколько это будет сложно и насколько малы шансы на успех, но он упорствовал, и в конце концов я уступил.
Позже он решил получить докторскую степень. Позже в этом семестре он защитит диссертацию, и я очень горжусь им."
«Этот реакционный центр есть только у организмов, которые могут жить в бескислородной среде, как на ранней Земле», — сказал Гисриэль. "Эта работа дала возможность ученым всего мира сравнить характеристики примитивного реакционного центра с характеристиками более совершенных реакционных центров, которые находятся в устойчивых к кислороду организмах. В результате мы получаем более четкую и информированную картину того, как природа оптимизировала сбор световой энергии."