Химики раскрывают секрет сверхэффективного фотосинтетического сбора света

В области фотосинтеза кажущееся хаотичным расположение белков внутри светособирающих комплексов на самом деле может быть их секретным оружием для повышения эффективности.

Солнечный свет, поглощаемый фотосинтезирующими клетками, запускает динамическую цепную реакцию. Фотоны, энергетические пакеты, прыгают через серию белков, собирающих свет, прежде чем приземлиться в реакционном центре фотосинтеза. Здесь энергия преобразуется в электроны, что в конечном итоге способствует созданию молекул сахара.

Ультраэффективный фотосинтетический сбор света

Эта миграция энергии внутри светособирающего комплекса может похвастаться практически идеальной эффективностью. Почти каждый поглощенный фотон порождает электрон — чудо, известное как квантовая эффективность, близкая к единице.

Химики Массачусетского технологического института предлагают интригующее объяснение этой высокой эффективности в новом исследовании. Впервые им удалось измерить передачу энергии между светособирающими белками. Это показало, что кажущаяся бессистемной организация этих белков повышает эффективность передачи энергии.

«Беспорядочная организация светособирающих белков повышает эффективность этой передачи энергии на большие расстояния», — объясняет Габриэла Шлау-Коэн, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института и старший автор исследования, Tabibim.

Исследование пурпурных бактерий

Это исследование в первую очередь сосредоточено на пурпурных бактериях. Эти организмы обычно обитают в бедной кислородом водной среде и служат популярными моделями для фотосинтетических исследований по сбору света.

Фотографии, поглощаемые этими бактериями, проходят через комплексы, состоящие из белков и светопоглощающих пигментов, таких как хлорофилл. С помощью сверхбыстрой спектроскопии ученые могут исследовать, как энергия перемещается внутри одного белка. Однако изучение переноса энергии между белками было более серьезной задачей из-за необходимости точного позиционирования нескольких белков.

Уникальный экспериментальный подход: фотосинтетический сбор света

Чтобы преодолеть это препятствие, команда Массачусетского технологического института разработала синтетические наноразмерные мембраны, имитирующие состав природных клеточных мембран. Контролируя размер этих мембран, они могли управлять расстоянием между двумя белками внутри дисков.

В исследовании были представлены два варианта основного светособирающего белка, обнаруженного в пурпурных бактериях — LH2 и LH3. LH2 присутствует при нормальных условиях освещения, в то время как LH3 обычно появляется при слабом освещении.

Команда могла визуализировать встроенные в мембрану белки с помощью криоэлектронного микроскопа на объекте MIT.nano. Они продемонстрировали, что эти белки расположены на расстоянии, сравнимом с таковым в природных мембранах. Было измерено, что расстояние между светособирающими белками составляет от 2,5 до 3 нанометров.

Путь передачи энергии

Немного разные длины волн света, поглощаемые LH2 и LH3, позволили исследователям наблюдать передачу энергии между ними с помощью сверхбыстрой спектроскопии. Для близко расположенных белков передача энергии фотонов занимала около 6 пикосекунд. Для белков, расположенных дальше друг от друга, передача может занять до 15 пикосекунд. Более быстрая передача подразумевает более эффективную передачу энергии, поскольку во время длительного путешествия теряется больше энергии.

«Чем быстрее он может быть преобразован, тем эффективнее он будет», — говорит Шлау-Коэн.

Примечательно, что белки с неорганизованной структурой продемонстрировали более эффективную передачу энергии, чем белки с упорядоченной решетчатой ​​структурой, отражая организацию, обычно встречающуюся в живых клетках.

Будущие исследования фотосинтетического сбора света

«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», — добавляет Шлау-Коэн.

Благодаря этой новообретенной способности измерять передачу энергии между белками исследователи планируют изучить передачу энергии между другими белками и исследовать организмы помимо пурпурных бактерий, такие как зеленые растения.