Фотосинтез — это естественный процесс преобразования солнечной энергии в химическую и генерации молекулярного кислорода. Это удивительное природное явление не только лежит в основе существования почти всех живых организмов на Земле, но и служит основой для разработки искусственного фотосинтеза.
В течение десятилетий исследователи работали над созданием технологий, которые могли бы воспроизвести этот процесс искусственно. Искусственные фотосинтетические системы используют технологии для накопления солнечной энергии в химических связях, потенциально создавая экологически чистые виды топлива, такие как водород. Глубокое понимание светособирающих структур растений имеет решающее значение для таких будущих применений.
Открытие уникальной структуры
Группа исследователей под руководством доцента Ромена Ла Рокка, доцента Фусамичи Акиты и профессора Цзянь-Рен Шэня из Университета Окаямы (Япония) провела анализ фотосинтетического комплекса, обнаруженного у морской водоросли Chrysotila roscoffensis. Эта морская водоросль принадлежит к виду кокколитофоров, известных производством пластин карбоната кальция и фиксацией углерода на поверхности океана.
Исследование, опубликованное онлайн 5 мая 2025 года в журнале Nature Communications, описывает уникальное фотосинтетическое оборудование гаптофитов и даёт более глубокое представление о его механизмах улавливания света и передачи энергии.
Роль морских водорослей в природе
Морские водоросли, особенно гаптофиты, играют важную роль в морской жизни, составляя до 50% биомассы океана и участвуя в глобальном круговороте углерода. Однако, несмотря на их значимость, молекулярные детали фотосинтеза у этих видов оставались малоизученными.
Основные компоненты фотосинтеза
Процесс фотосинтеза в основном включает два белково-пигментных комплекса: фотосистему I (PSI) и фотосистему II (PSII). PSII отвечает за инициирование процесса фотосинтеза, используя свет для расщепления воды на кислород, протоны и электроны, в то время как PSI использует электроны от PSII и возбуждает их до более высокого энергетического уровня, чтобы они могли быть использованы в процессе синтеза сахаров.
Используя передовые методы визуализации с помощью криоэлектронной микроскопии (cryo-EM) с впечатляющим разрешением 2,2 Å, исследователи нанесли на карту суперкомплекс PSII-фукоксантин хлорофилл c-связывающий белок (FCPII) у гаплофитов.
«Это исследование проанализировало первую структурную модель комплекса PSII-FCPII у гаптофитов», — объясняет доктор Ла Рокка. «Удивительно, но, в отличие от других систем PSII, комплекс у гаптофитов демонстрирует уникальное расположение антенных белков вокруг ядра фотосистемы».
Уникальная структура антенных белков
Структура показала характерное расположение и структуру антенных белков, которые состоят из шести единиц антенных белков FCPII на мономер PSII. Расположение этих белков сильно отличалось от тех, что наблюдаются у диатомовых водорослей и зелёных водорослей, что указывает на адаптацию этой морской водоросли к её среде обитания.
Единицы FCPII отвечают за сбор света и передачу энергии ядру фотосистемы. Согласно структуре cryo-EM, один антенный белок, FCPII-2, выступает в качестве центрального узла в этом процессе. Он расположен таким образом, что получает энергию от окружающих его антенн и передаёт её непосредственно к субъединице ядра PSII CP47. Белок FCPII-2 также богат фукоксантиновыми пигментами, которые могут эффективно поглощать свет, рассеивая при этом избыточную световую энергию и предотвращая повреждение клеток от сильного света.
Исследователи также идентифицировали и секвенировали Psb36, ранее не охарактеризованную субъединицу PSII, которая находится на границе между ядром и антенной системой. Хотя эта структура была замечена в более ранних исследованиях диатомовых водорослей и красных водорослей, её последовательность не была определена до сих пор.
Это исследование раскрывает важные детали, углубляющие наши знания о фотосинтетических системах, и, как ожидается, внесёт вклад в разработку систем искусственного фотосинтеза, поскольку уникальное расположение светособирающей системы указывает на эффективность улавливания света при определённых условиях освещения.
«Эти водоросли чрезвычайно эффективно используют солнечный свет для получения энергии; понимая структуру их фотосистем, мы делаем шаг ближе к имитации этих природных систем для искусственного сбора световой энергии», — заключает доктор Шэнь.
Источник: Университет Окаямы.