«Дыхание растений является важным биологическим процессом для роста и накопления биомассы», – сказала Мария Мальдонадо, научный сотрудник лаборатории Джеймса Леттса, доцента кафедры молекулярной и клеточной биологии Колледжа биологических наук. "Если вы думаете о сельскохозяйственных культурах, то степень их роста связана с накоплением биомассы и взаимодействием между фотосинтезом и дыханием."
В исследовании, опубликованном в eLife, Мальдонадо, Леттс и его коллеги впервые представили трехмерную структуру на атомном уровне крупнейшего белкового комплекса (комплекса I), участвующего в митохондриальной цепи транспорта электронов растений.
«Для млекопитающих или дрожжей у нас есть структуры с более высоким разрешением всей цепи переноса электронов и даже суперкомплексы, которые представляют собой комплексы комплексов, но для растений это был целый черный ящик», – сказал Мальдонадо. "До сегодняшнего дня."
Выяснение структуры и функциональности этих белковых комплексов растений может помочь исследователям улучшить сельское хозяйство и даже разработать более совершенные пестициды.
«Многие пестициды на самом деле нацелены на комплексы митохондриальной электронно-транспортной цепи вредителя», – сказал Леттс. "Таким образом, понимая структуру комплексов растений, мы также можем разработать более целевые пестициды или фунгициды, которые убьют гриб, но не растения, и не человека, который ест растение."
Выращивание маша в темноте
Для производства пищи растения используют хлоропласты для фотосинтеза.
Но хлоропласты могут представлять проблему для ученых, изучающих молекулярные детали митохондриальной цепи переноса электронов.
«У растений есть митохондрии и хлоропласты, которые делают растение зеленым, но органеллы очень похожи по размеру и имеют очень похожие физические свойства», – сказал Мальдонадо.
Эти сходства затрудняют выделение митохондрий из хлоропластов в лабораторных условиях. Чтобы обойти это, исследователи использовали «этиолированный» маш (Vigna radiata), то есть выращивали растения в темноте, что препятствовало развитию хлоропластов и заставляло растения казаться обесцвеченными.
«Бобы мунг – это масличные семена, которые накапливают энергию в виде масел из семян, а затем ростки начинают сжигать эти масла, как топливо», – сказал Леттс. Без хлоропластов растения не могут фотосинтезировать, ограничивая свои энергетические потоки.
Отделив митохондрии от хлоропластов, исследователи получили более четкое структурное изображение комплекса I и его субкомплексов.
«Мы использовали одночастичную криоэлектронную микроскопию, чтобы определить структуру комплексов после очистки их от митохондриальных образцов», – сказал Леттс.
С помощью этих структур ученые могут увидеть на атомном уровне, как собираются строительные блоки комплекса I и как эти структуры и их сборка отличается от комплексов, присутствующих в клетках млекопитающих, дрожжей и бактерий.
«Наша структура впервые показывает нам детали модуля комплекса I, уникального для растений», – заявили исследователи. "Наши эксперименты также дали нам понять, что это промежуточное звено сборки может быть не просто шагом к полностью собранному комплексу I, но может иметь отдельную функцию."
Исследователи предположили, что уникальная модульная структура комплекса I может дать растениям гибкость для развития в качестве сидячих организмов.
«В отличие от нас, растения застревают в земле, поэтому они должны приспосабливаться», – сказал Леттс. "Если что-то изменится, они не могут просто встать и уйти, как мы, поэтому они стали чрезвычайно гибкими в своем метаболизме."
Имея в руках структуру комплекса I, исследователи планируют провести функциональные эксперименты.
Дальнейшее понимание функциональности комплекса I может открыть путь к повышению энергоэффективности сельскохозяйственных культур.