Понимание того, как бактерии используют «солнцезащитный крем» для адаптации к климату

Цианобактерии, широко известные как сине-зелёные водоросли, встречаются практически повсюду в мире — от горячих источников до арктического льда и даже в антиоксидантных смузи. Их исключительная адаптивность частично обусловлена уникальной структурой для сбора света, называемой фикобилисомой. Эти модульные антенны не только собирают энергию солнечного света, но и адаптируются к изменяющимся уровням освещённости, обеспечивая своего рода «солнцезащитный крем» для бактерий.

Важная адаптация фикобилисом

Одним из важных способов адаптации фикобилисом является наличие вспомогательного белка, который не только ощущает слишком яркий свет, но и защищает от него. Однако пока неясно, как именно работает этот крошечный белок.

Понимание фотозащиты

Понимание механизмов фотозащиты в фикобилисомах может вдохновить на создание новых биомиметических стратегий для улучшения растений и повышения продовольственной безопасности или даже на разработку новых видов адаптируемых энергетических технологий.

Открытие в лаборатории Керфельда

Когда сотрудники лаборатории Керфельда в Мичиганском государственном университете сообщили о неожиданно специфической молекулярной структуре фикобилисом, защищённых этим белком, доцент кафедры молекулярной инженерии Университета Чикаго (UChicago PME) Эллисон Сквайрс была заинтригована.

«Существует множество мест, где он может связываться, которые выглядят так же, как сайт, идентифицированный нашими сотрудниками, и фикобилисомы имеют множество различных архитектур, — сказала она. — Так почему же он связался именно в этом месте, а не в других? И что происходит в других архитектурах, где это конкретное место заблокировано?»

Результаты исследований

Комбинируя эксперименты по высокоточной спектроскопии с компьютерным моделированием, Сквайрс и её команда обнаружили, что этот белок связывается с различными, но специфическими участками в разных архитектурах фикобилисом, но при этом работает одинаково, обеспечивая одинаковый уровень защиты.

«Это прекрасный пример адаптивного молекулярного механизма, где белок может легко эволюционировать, чтобы выполнять свою работу в условиях, требующих различных структур фикобилисом», — сказала Сквайрс. «Возможно, он начал с одного сайта связывания, но затем, когда архитектура изменилась, он всё ещё мог выполнять свою работу на новом сайте».

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Белок, называемый оранжевым каротиноидным белком, помогает собирать свет, «гася» солнечный свет, когда это необходимо. Если, например, слишком солнечно в течение длительного времени, белок связывается с фикобилисомой и рассеивает поглощённую энергию.

«Слишком много энергии может повредить фотосинтетический аппарат, поэтому наличие этого белка обеспечивает быстрый способ защиты цианобактерий от внезапного изменения освещения», — сказала Сквайрс.

Технология для изучения белка

Чтобы лучше понять, как белок связывается со структурой антенны, команда Сквайрс, включая недавнюю выпускницу UChicago PhD Айешу Эджаз, использовала спектроскопию одиночных частиц. Эта технология позволяет им отслеживать перенос энергии на наноуровне. Команда использует специальную установку под названием антиброуновская электрокинетическая (ABEL) ловушка, которая подвешивает образец в растворе и использует электроды в микрофлюидной ячейке, чтобы удерживать его в центре. Это позволяет удерживать белок на месте достаточно долго, чтобы получить хороший сигнал.

Они изучили, как белок связывается с двумя различными типами фикобилисом — одним с трёхствольной структурой и одним с пятиствольной структурой — и обнаружили, что белок действительно связывается в разных местах, хотя и обеспечивает одинаковый эффект гашения.

Они также провели компьютерные симуляции, которые имитировали поглощение фотона бактериями до тех пор, пока он не выполнит фотосинтез или не столкнётся с белком.

Вместе результаты показали, что система «балансирует модульность с локальной специфичностью», как сказала Сквайрс. «Это довольно распространено в природе, но это действительно демонстрирует изысканную эволюционную способность этой системы».

Будущие исследования

Команда надеется углубиться в систему фикобилисом, чтобы лучше понять, как она регулирует захват и поток энергии. Помимо белка, фикобилисома, по-видимому, содержит другие внутренние «переключатели» и «предохранители», которые защищают от изменяющихся световых условий, разрываясь в нужное время и в нужном месте для контроля передачи энергии. Сквайрс и её команда хотят знать, как работают эти другие механизмы и как их функция дополняет их недавние выводы о роли оранжевого каротиноидного белка.

«Было очень приятно видеть, как точные данные, полученные с помощью ловушки ABEL, могут быть использованы для получения структурных представлений об этом механизме гашения», — сказала Эджаз. «Я с нетерпением жду, какие новые закономерности появятся, когда мы объединим эти результаты с будущими экспериментами, сравнивающими внутренние механизмы фотозащиты среди фикобилисом с различными структурами».

Соавторами статьи являются Маркус Саттер, Сигал Лечно-Йосеф и Шерил А. Керфельд (Мичиганский государственный университет и Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли).

Предоставлено Университетом Чикаго.

Источник