Учитывая, что сегодняшние солнечные панели ограничены своей эффективностью (в настоящее время более 80 процентов доступной солнечной энергии теряется в виде тепла), ученые искали в природе вдохновение, чтобы лучше понять, как фотосинтезирующие растения и бактерии захватывают солнечный свет.«Изобретение природой фотосинтеза — это единственный наиболее важный процесс преобразования энергии, приводящий в движение биосферу, и фотосинтез навсегда изменил атмосферу Земли», — сказал Раймунд Фромм, доцент Центра прикладной структурной биологии Института биодизайна АГУ и Школы молекулярных исследований. Наук.
Более 3 миллиардов лет назад на нашей планете не было кислорода. В это время природа придумала способ улавливать солнечный свет и преобразовывать его в пищу, чтобы воспользоваться этим вечным источником энергии.Теперь исследовательская группа, возглавляемая Фромме, получила важные новые идеи, решив с почти атомарной ясностью самую первую структуру белка ядра мембраны в простейшей известной фотосинтетической бактерии, называемой Heliobacterium modesticaldum (Гелиос был греческим богом солнца).
Решив суть фотосинтеза в этой солнечно-любящей почве бактерии, исследовательская группа Фромме получила принципиально новое понимание ранней эволюции фотосинтеза и того, как этот жизненно важный процесс различается между системами растений.Их открытие предоставляет ученым совершенно новый шаблон для создания основы для дизайна солнечных панелей на органической основе, известных как «искусственные листья» для солнечной энергии, или возможных применений возобновляемого биотоплива.Результаты опубликованы в сегодняшнем выпуске журнала Science.
Природа знает лучшеАГУ уже давно является лидером в исследованиях фотосинтеза, начиная с первого десятилетия своего существования в качестве исследовательского университета в 1970-х годах. Это было естественным подходом для ученых, которых привлекала уникальная красота пустыни Сонора, которая с ее более чем 300 солнечными днями в году является лучшим местом в стране для улавливания солнечной энергии.Солнечные панели жизни, которые ученые называют фотосистемами, используются растениями, водорослями и фотосинтезирующими бактериями как невероятно эффективная система для улавливания почти каждого доступного фотона света для роста и процветания, заполняя почти каждый укромный уголок и щель на Земле.
Фромме входит в большую группу исследователей структурной биологии в АГУ, которые постепенно получают лучшее понимание, делая снимки ключевых белков, которые работают в центрах реакции фотосинтеза, чтобы помочь превратить свет в энергию.«Чтобы по-настоящему и полностью понять фотосинтез, нужно проследить процесс преобразования света в химическую энергию», — сказал Фромме. «Это одна из самых быстрых химических реакций, когда-либо изученных, и именно поэтому ее так трудно изучать и понимать».Для сравнения, временные рамки фотосинтеза превращают молнию в улитку. Реакции фотосинтеза происходят в пикосекундах, что составляет одну триллионную долю секунды.
Пикосекунда соответствует одной секунде, а одна секунда — 37000 годам.Но структурные биологи Университета штата Калифорния используют все более мощные рентгеновские технологии, чтобы в один прекрасный день уловить свет, сделав снимки кристаллизованных белков в режиме стоп-кадра на протяжении всего процесса.Молния в бутылкеПытаясь изучить фотосинтез, Фромм исследовал фотосинтез в его простейшей форме, у гелиобактерий, которые впервые были обнаружены в илистых почвах возле горячих источников.
Одноклеточные гелиобактерии проще, но принципиально отличаются от растений. Например, во время фотосинтеза гелиобактерии вместо воды, как растения, используют сероводород.
Они растут без кислорода и после фотосинтеза выделяют серный газ с запахом тухлых яиц вместо кислорода.Гелиобактерии использовали свое уникальное место, чтобы успешно занять свою собственную экологическую нишу, потому что они используют свет в ближнем инфракрасном диапазоне для фотосинтеза, что идеально подходит для условий низкой освещенности в таких местах, как Исландия или мутные рисовые поля. Растения просто не могут конкурировать.Ученые хотели понять, как это делают гелиобактерии.
Реакция на действиеВ основе фотосинтеза — центр реакции; это сложный комплекс пигментов и белков, которые превращают свет в электроны для питания клетки.
Хлорофилл — это пигмент, который делает растения зелеными. В растениях хлорофилл улавливает солнечную энергию и использует ее для производства сахара из углекислого газа из воздуха и воды.Кислородный фотосинтез у высших растений, зеленых водорослей и цианобактерий использует Фотосистему I (ФСI), которая является РЦ типа I, и Фотосистему II (ФСII), которая представляет собой РЦ типа II.
Они работают вместе для извлечения электронов из воды в ферредоксин и, наконец, восстановления энергоносителя NADP + до NADPH.Напротив, аноксигенные фототрофные бактерии, такие как Heliobacterium modesticaldum, используют один RC для управления путем циклического переноса электронов (ET), который создает протонодвижущую силу через мембрану, которая используется для производства энергии и метаболизма за счет синтеза АТФ.Центры реакции окружают этих участников как клетку, чтобы эффективно улавливать всю доступную энергию и фотоны света, объединяя все элементы в одном месте.
Реакционные центры (RC) бывают двух основных разновидностей кофакторов: железо (Тип I) или хинон (Тип II).Гелиобактерии имеют самый простой из известных реакционных центров и используют уникальные хлорофиллы.
Открытие гелиобактерий привело к идентификации уникальных характеристик их RC (в 1990-х годах бывший председатель химии ASU Роберт Бланкеншип впервые возглавил группу, которая помогала секвенировать и охарактеризовать RC гелиобактерий).Было высказано предположение, что гелиобактерии RC являются наиболее близким существом к самому раннему общему предку всех фотосинтетических реакционных центров, когда около 3 миллиардов лет назад на ранней Земле были моря, богатые серой, и мало кислорода.
Но успешная очистка RC-белка и выращивание кристаллов, необходимых для рентгеновских экспериментов, может быть длительным и трудным процессом.В частности, исследовательский проект Фромме был начат семь лет назад, когда доктор наук Иосифина Сарроу впервые улучшила подготовку центра реакции гелиобактерий. После многих первоначальных испытаний кристаллизации был обнаружен заряд кристалла, дифрагирующий рентгеновские лучи.
«Это момент, которого ждет кристаллограф», — сказал Фромми, объясняя, сколько лет потребуется, чтобы вырастить идеальный кристалл протеина, пригодный для рентгеновских исследований.Два тангоВскоре после этих обнадеживающих результатов к команде присоединился Кристофер Гизриэль, который улучшил качество дифракции до конечного качества 2,2 ангстрем.Тем не менее, исследовательская группа не смогла решить кристаллографическую структуру.
Этот перерыв занял два года до августа 2016 года. Затем, наконец, произошел прорыв.С этого момента «началось захватывающее открытие на неизведанной территории, когда приветствовался каждый новый хлорофилл», — вспоминал Фромм, и «доказывалось, что первоначальное предсказание каждого относительно RC гелиобактерий было ошибочным».Используя рентгеновский свет в Усовершенствованном источнике света в Беркли, Калифорния, и луч в Усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, штат Иллинойс, группа Фромме впервые визуализировала РЦ гелиобактерий в почти атомном, 2.2- разрешение по Ангстрему (Ангстрем — это ширина атома водорода).
Они обнаружили почти идеальную симметрию в RC Heliobacter.Во-первых, аминокислотный состав пары белков был идентичным, называемым гомодимером.
Это был первый случай, когда было обнаружено, что RC содержит только одну пару гомодимеров белка, управляющих фотосинтезом.Наконец, они нанесли на карту около 60 хлорофиллов на белковый комплекс RC, что, наконец, оказалось намного больше, чем предсказывал его коллега Джон Голбек из Университета Пенсильвании, который участвовал в исследовании.Димер корового полипептида и две маленькие субъединицы координируют 54 (бактерио) хлорофилла и 2 каротиноида, которые захватывают и передают энергию сердцевине в реакционном центре, который выполняет разделение заряда, стабилизацию и перенос электронов, он состоит из 6 (бактерио) хлорофиллов и железа. -серный кластер; в отличие от других реакционных центров в нем отсутствует связанный хинон.
Таким образом, структура поддерживает гипотезу о том, что транспорт электронов в HbRC не требует промежуточного кофактора.«Структуры высокого разрешения были получены из множества гетеродимерных (более одного белка) RC (RC, PSI и PSII пурпурных бактерий), но до сих пор не решена ни одна гомодимерная структура RC», — сказал Фромм.Древние истоки фотосинтеза
Кроме того, благодаря взрывному развитию технологии секвенирования ДНК и потенциальной способности понимать все гены и белки на протяжении всей жизни, они также проследили эволюцию RC фотосинтеза.Мог ли этот центр реакции породить все остальные, что приведет к усложнению за эоны?
С эволюционной точки зрения это означает, что RC гелиобактерии, возможно, сначала произошли от одного гена.«Эта структура сохраняет характеристики предкового реакционного центра, обеспечивая понимание эволюции фотосинтеза», — объясняет коллега Фромма Кевин Реддинг. «Судя по новым структурам, которые у нас есть, это, безусловно, имеет убедительный смысл».Затем ген, возможно, был продублирован, чтобы увеличить сложность эволюции.
«Гомодимерные RC почти наверняка в эволюции предшествовали гетеродимерным RC», — сказал Фромм. Дупликация гена основной субъединицы RC с последующим расхождением двух генов позволила бы преобразовать гомодимерный RC в гетеродимерный. Вероятно, это происходило по крайней мере в трех разных случаях, что привело к созданию различных и более сложных центров реакций, обнаруженных у других фотосинтезирующих бактерий и растений ».Солнце снова взойдет
Группа Фромме воодушевлена потенциалом новых результатов. Такое понимание могло бы однажды помочь исследовательским группам по всему миру построить центр искусственного фотосинтеза, который мог бы помочь в разработке гибридных органических солнечных панелей следующего поколения, возможно, с использованием heliobacter для увеличения поглощения света и начала повышения эффективности использования солнечной энергии или использования солнечных батарей. технология возобновляемого биотоплива.
В конце концов, завтра снова взойдет солнце, ожидая появления новых и новых умных технологий, которые ученые могут придумать, чтобы полностью раскрыть потенциал солнечной энергии.