Группа учёных из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab), финансируемой Министерством энергетики США, предложила новое понимание того, как энергия течёт через одну из важнейших молекулярных машин природы: суперкомплекс фотосистемы II (PSII).
Эти крупные белковые комплексы в растениях, водорослях и цианобактериях отвечают за критическую реакцию — расщепление воды под действием солнечного света с образованием кислорода, пригодного для дыхания. Большинство суперкомплексов PSII существуют в парной форме, с двумя реакционными центрами и сетью поглощающих свет белков хлорофилла, расположенных вокруг них. Эти парные сборки работают вместе, чтобы собирать солнечный свет и запускать фотосинтез.
В серии из четырёх недавних статей исследовательская группа обнаружила удивительно эффективную и гибкую систему переноса энергии в этих комплексах.
Вместо того чтобы направлять энергию непосредственно в свои реакционные центры (как это делают некоторые бактериальные системы), PSII использует плоский, обширный энергетический ландшафт, который позволяет световой энергии исследовать несколько путей, прежде чем включиться в процесс фотосинтеза. В результате получается динамическая система, которая может как эффективно поглощать солнечный свет, так и защищать себя от повреждений — качества, которые учёные хотели бы воспроизвести в синтетических устройствах для сбора света, таких как фотокатализаторы и системы искусственного фотосинтеза для производства топлива.
Потенциал для сельского хозяйства
Понимание этого механизма может привести к созданию сельскохозяйственных культур, которые будут быстрее восстанавливаться, что повысит урожайность.
«Фотосистема II не просто собирает солнечный свет — она принимает невероятно умные решения о том, что делать с этой энергией», — сказал Грэм Флеминг, старший научный сотрудник отдела молекулярной биофизики и интегрированного биоимиджинга Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и автор четырёх исследовательских работ.
«То, что мы обнаружили, — это то, как природа балансирует две противоречивые цели: получение максимальной пользы от каждого фотона и одновременная защита от слишком большого количества света».
Суперкомплексы PSII расположены в хлоропластах клеток растений и водорослей и абсолютно необходимы для жизни на Земле. Они единственная система в природе, которая выполняет сложную задачу расщепления воды на кислород и водород под действием солнечного света — основополагающий шаг для производства кислорода, пригодного для дыхания, и поддержания пищевой цепи.
«Это самая важная часть химии на планете для всего живого», — сказал Флеминг.
В центре комплекса PSII находятся два реакционных узла, где происходят химические реакции. Вокруг них — сотни молекул хлорофилла, поглощающих свет и передающих энергию внутрь. В бактериях такая система обычно напоминает воронку — энергия течёт вниз, прямо к центру. Но в PSII схема необычно плоская, не такая, какой можно было бы ожидать от системы, стремящейся к эффективности.
Тем не менее система работает невероятно хорошо. И именно этот парадокс команда Флеминга и попыталась понять.
Для изучения того, как энергия движется через эту сложную систему, команда Флеминга в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли использовала последние инновации в спектроскопии и передовые методы моделирования. Одним из их ключевых инструментов, описанных в исследовании за август 2024 года в журнале Journal of Physical Chemistry B, является двумерная электронно-колебательная спектроскопия — метод, разработанный Флемингом, который позволяет получить представление о том, куда идёт энергия в море почти одинаковых молекул хлорофилла.
«Вы смотрите на что-то, состоящее из примерно 200 одинаковых молекул — как вы узнаете, где находится возбуждение? — сказал Флеминг. — Этот новый метод даёт нам гораздо больше возможностей для разрешения».
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications в октябре 2024 года, исследовательская группа из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли совместно с коллегами из Кембриджского университета в Англии провела моделирование энергетического ландшафта PSII. Эти симуляции помогли объяснить, почему плоская конструкция системы фактически способствует быстрому распространению энергии и обеспечивает встроенные механизмы защиты от перегрева.
Исследователи сообщили в статье, опубликованной в марте 2025 года в журнале PNAS, что энергия в PSII не идёт по прямому пути к реакционным центрам. На самом деле иногда она течёт от них, прежде чем вернуться обратно. Это странное поведение выявило двухфазный процесс: сначала энергия блуждает случайным образом — под действием энтропии, — и только потом движется в более целенаправленном направлении.
Эта «фаза блуждания» оказывается существенной. Она даёт системе время для оценки интенсивности света и предотвращения образования вредных побочных продуктов. Если энергия накапливается слишком быстро в одном месте, она может превратиться в своего рода химический стресс, повреждающий клетку. Но, позволяя энергии блуждать, система получает гибкость — она может позволить энергии рассеяться, когда это необходимо, чтобы предотвратить перегрев в определённом месте, или направить её в реакционный центр, когда условия будут подходящими.
«Вы помещаете энергию близко к тому месту, где, как вы думаете, она должна быть израсходована, а она на самом деле уходит», — сказал Флеминг. «Если бы это было вино, оно бы побежало обратно по воронке».
Конечным фрагментом головоломки, о котором сообщалось в исследовании, опубликованном в апреле 2025 года в журнале The Journal of Chemical Physics, стало первое в мире измерение расстояния, которое может преодолеть энергия внутри PSII — известная как длина диффузии экситона. Используя метод, называемый аннигиляцией экситонов, команда обнаружила, что энергия может перемещаться по всему комплексу и даже между двумя его реакционными центрами, что придаёт системе ещё большую адаптивность.
Все эти открытия имеют серьёзные последствия для создания более совершенных систем сбора света.
Сейчас большинство искусственных фотосинтетических систем разработаны для обеспечения максимальной эффективности. Но они не очень хорошо защищают себя или адаптируются к меняющимся условиям. Работа Флеминга показывает, что природа придумала, как сделать и то, и другое — предоставив энергии пространство для исследования, прежде чем указать ей направление.
«Это как иметь действительно умный термостат», — сказал Флеминг. «Вы не просто включаете или выключаете тепло — вы регулируете его в зависимости от того, что нужно в данный момент».
Понимание, полученное в результате исследований, может в конечном итоге привести к созданию синтетических систем, работающих по аналогичным принципам — распределение энергии, реагирование на интенсивность или повреждения, а затем сосредоточение для выполнения полезной работы. Например, молекулярные устройства, которые перенаправляют энергию, чтобы избежать точек отказа.
Есть потенциал и для сельского хозяйства. Растения естественным образом переходят в защитный режим, когда уровень освещённости резко возрастает, но они медленно возвращаются в исходное состояние. Понимая и, возможно, имитируя балансировку PSII, учёные могут создать сельскохозяйственные культуры, которые будут быстрее восстанавливаться — то, что сотрудники Флеминга уже показали на примере сои, урожайность которой можно повысить на 25%.
У исследователей всё ещё есть вопросы. Один важный белок, PsbS, как известно, запускает фотозащитную реакцию PSII, но его точная роль и местоположение до сих пор неясны. Флеминг надеется, что будущая работа — возможно, с использованием криоэлектронной микроскопии на более крупных сборках, называемых мегакомплексами, — восполнит пробелы.
«Мы не просто пытаемся копировать природу — мы пытаемся понять принципы проектирования, которые заставляют её так хорошо работать, — сказал Флеминг. — Как только мы это сделаем, мы сможем создавать системы, которые будут не только эффективными, но и умными — способными адаптироваться, реагировать и процветать в реальных условиях так же, как это делают растения».
Предоставлено Lawrence Berkeley National Laboratory.