Крошечные фотосинтезирующие организмы, которые живут практически повсюду на Земле, цианобактерии помогли создать на Земле богатую кислородом атмосферу и продолжают обеспечивать нас большей частью кислорода, необходимого для выживания.
"Когда цианобактерии живут в условиях низкой освещенности, например, под поверхностью пруда или под опавшей листвы на лесной подстилке, некоторые из них могут переключаться с использования видимого света, который наиболее способствует их росту и фотосинтетической деятельности, на сбор более слабого ", – сказал Дональд Брайант, Эрнест С. Поллард, профессор биотехнологии, штат Пенсильвания. "Эта новая способность дает цианобактериям адаптивное преимущество перед другими организмами и является частью того, почему они ответственны за 50 процентов всей фотосинтетической активности на планете."
В своем исследовании команда, в которую вошли исследователи из Центра биодизайна для прикладных структурных открытий Университета штата Аризона, исследовала Fischerella thermis, наземную цианобактерию, ранее использовавшуюся в качестве модельного организма для изучения фотосинтеза. Как и все виды цианобактерий, F. Thermalis богат хлорофиллом, пигментом, отвечающим за поглощение света.
По словам Брайанта, недавнее исследование показало, что F. Обычный набор хлорофилла термалиса, называемый хлорофиллом a, частично заменяется в условиях дальнего красного света на тесно связанную, но химически отличную форму молекулы, известную как хлорофилл f.
«До сих пор мы могли только догадываться о том, как цианобактерии переходят на использование хлорофилла f, потому что для нас не было доступной структурной информации о задействованном фотосинтетическом механизме, чтобы увидеть, что происходит», – сказал он.
Чтобы понять это явление, Брайант и его коллеги использовали криогенную электронную микроскопию (Cryo-EM) для определения структуры F. Фотосистема I Thermalis, один из двух белковых комплексов, ответственных за фотосинтез, которые происходят во всех фотосинтезирующих организмах. Крио-ЭМ может определять биомолекулярные структуры с разрешением, близким к атомному.
Используя этот метод, исследователи смогли наблюдать расположение молекул хлорофилла f, присутствующих в F. термис. В частности, команда определила четыре сайта, где эти молекулы хлорофилла f могут связываться и становиться функциональными.
"Путем синтеза и включения около 8% хлорофилла f в свои комплексы фотосистемы I, F. Thermalis способен осуществлять фотосинтез, используя дальний красный свет с длиной волны почти 800 нанометров », – сказал Крис Гисриэль, научный сотрудник Йельского университета, который участвовал в этом исследовании, когда он был исследователем в Центре биодизайна Университета штата Аризона для прикладных структурных открытий.
Выводы команды появятся сегодня (фев. 5) в журнале Science Advances.
Брайант сказал, что в предыдущем исследовании он и его коллеги обнаружили, что другой белок в клетках цианобактерий воспринимает длину волны входящего света и активирует производство модифицированного фотосинтетического аппарата, когда дальний красный свет преобладает над видимым светом.
Гизриэль добавил: «Исследования показывают, что примерно 25 процентов всех цианобактерий, включая обычные почвенные организмы, обладают такой способностью. Это означает, что значительная часть – около одной восьмой – кислорода на Земле поступает от организмов с такой адаптацией."
Выводы команды предполагают захватывающие возможности для будущих приложений. Например, урожай потенциально можно настроить для управления их светопоглощающими свойствами в зависимости от условий окружающего освещения.
Кроме того, две культуры потенциально могут быть выращены вместе, причем более короткие культуры, такие как люцерна, извлекают дальний красный свет из затененных мест под более высокими культурами, такими как кукуруза. Такая стратегия может дать вдвое больше урожая с единицы площади.