Впервые химики Массачусетского технологического института измерили передачу энергии между фотосинтетическими светособирающими белками, что позволило им обнаружить, что неорганизованное расположение светособирающих белков повышает эффективность передачи энергии. Кредит: Предоставлено исследователями.
Неорганизованное расположение белков в светособирающих комплексах является ключом к их чрезвычайной эффективности.
Массачусетский технологический институт Исследователи обнаружили, что неорганизованное расположение белков в светособирающих комплексах повышает их эффективность передачи энергии, опровергая предположение о том, что упорядоченные структуры более эффективны. Это открытие предполагает, что такое хаотическое расположение может быть не случайным, а целенаправленной эволюцией для максимальной эффективности.
Когда фотосинтезирующие клетки поглощают солнечный свет, пакеты энергии, называемые фотонами, прыгают между серией светособирающих белков, пока не достигают фотосинтетического реакционного центра. Там клетки преобразуют энергию в электроны, которые в конечном итоге приводят в действие производство молекул сахара.
Эта передача энергии через светособирающий комплекс происходит с чрезвычайно высокой эффективностью: почти каждый фотон поглощенного света генерирует электрон, явление, известное как квантовая эффективность, близкая к единице.
Новое исследование химиков Массачусетского технологического института предлагает потенциальное объяснение того, как белки светособирающего комплекса, также называемого антенной, достигают такой высокой эффективности. Впервые исследователи смогли измерить передачу энергии между светособирающими белками, что позволило им обнаружить, что неорганизованное расположение этих белков повышает эффективность передачи энергии.
«Чтобы эта антенна работала, вам нужна передача энергии на большие расстояния. Наш ключевой вывод заключается в том, что беспорядочная организация светособирающих белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния», — говорит Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института и старший автор нового исследования.
Постдоки Массачусетского технологического института Дихао Ван и Двир Харрис, а также бывшая аспирантка Массачусетского технологического института Оливия Фибиг, доктор философии ’22, являются ведущими авторами статьи, которая появится на этой неделе в Труды Национальной академии наук. Цзяньшу Цао, профессор химии Массачусетского технологического института, также является автором статьи.
Захват энергии
В этом исследовании команда Массачусетского технологического института сосредоточилась на пурпурных бактериях, которые часто встречаются в бедной кислородом водной среде и обычно используются в качестве модели для изучения фотосинтетического сбора света.
Внутри этих клеток захваченные фотоны проходят через светособирающие комплексы, состоящие из белков и светопоглощающих пигментов, таких как хлорофилл. Используя сверхбыструю спектроскопию, метод, который использует чрезвычайно короткие лазерные импульсы для изучения событий, происходящих во временных масштабах от фемтосекунд до наносекунд, ученые смогли изучить, как энергия движется внутри одного из этих белков. Однако изучение того, как энергия перемещается между этими белками, оказалось гораздо более сложной задачей, поскольку требует контролируемого позиционирования нескольких белков.
Чтобы создать экспериментальную установку, в которой они могли бы измерить, как энергия перемещается между двумя белками, команда Массачусетского технологического института разработала синтетический наномасштаб мембраны, близкие по составу к естественным клеточным мембранам. Контролируя размер этих мембран, известных как нанодиски, они смогли контролировать расстояние между двумя белками, встроенными в диски.
Для этого исследования исследователи внедрили в свои нанодиски две версии основного светособирающего белка, обнаруженного в пурпурных бактериях, известных как LH2 и LH3. LH2 — это белок, который присутствует в нормальных условиях освещения, а LH3 — это вариант, который обычно экспрессируется только в условиях низкой освещенности.
Используя криоэлектронный микроскоп в MIT.nano, исследователи смогли получить изображения своих встроенных в мембрану белков и показать, что они расположены на расстояниях, подобных тем, которые видны в нативной мембране. Они также смогли измерить расстояния между светособирающими белками, которые составляли от 2,5 до 3 нанометров.
Беспорядок лучше
Поскольку LH2 и LH3 поглощают свет с немного разными длинами волн, можно использовать сверхбыструю спектроскопию для наблюдения за передачей энергии между ними. Для белков, расположенных близко друг к другу, исследователи обнаружили, что фотону энергии требуется около 6 пикосекунд, чтобы пройти между ними. Для белков, расположенных дальше друг от друга, передача занимает до 15 пикосекунд.
Более быстрое путешествие означает более эффективную передачу энергии, потому что чем дольше длится путешествие, тем больше энергии теряется во время передачи.
«Когда фотон поглощается, у вас есть не так много времени, прежде чем эта энергия будет потеряна из-за нежелательных процессов, таких как безызлучательный распад, поэтому чем быстрее она может быть преобразована, тем эффективнее она будет», — говорит Шлау-Коэн.
Исследователи также обнаружили, что белки, расположенные в виде решетки, демонстрируют менее эффективную передачу энергии, чем белки, которые расположены в случайно организованных структурах, как это обычно бывает в живых клетках.
«Упорядоченная организация на самом деле менее эффективна, чем неупорядоченная организация биологии, что, на наш взгляд, действительно интересно, поскольку биология склонна к беспорядку. Это открытие говорит нам о том, что это может быть не просто неизбежным недостатком биологии, но организмы могли эволюционировать, чтобы воспользоваться этим», — говорит Шлау-Коэн.
Теперь, когда они установили возможность измерения передачи энергии между белками, исследователи планируют изучить передачу энергии между другими белками, например, передачу между белками антенны белкам реакционного центра. Они также планируют изучить передачу энергии между белками антенн, обнаруженными в организмах, отличных от пурпурных бактерий, таких как зеленые растения.
Ссылка: «Выяснение динамики межбелкового переноса энергии в антенной сети пурпурных бактерий», Дихао Ван, Оливия С. Фибиг, Двир Харрис, Хила Топорик, Йи Джи, Черн Чуанг, Муат Найрат, Эшли Л. Тонг, Джон И. Огрен, Стефани М. Харт, Цзяньшу Цао, Джеймс Н. Стургис, Юваль Мазор и Габриэла С. Шлау-Коэн, 3 июля 2 023, Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2220477120
Исследование финансировалось в первую очередь Министерством энергетики США.