Междисциплинарная команда специалистов из ФИЦ Биотехнологии РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН и НИЦ «Курчатовский институт» совершили уникальный рывок в биохимии и молекулярной биологии. Благодаря целенаправленной работе, при поддержке Российского научного фонда (РНФ), были получены новые данные о чрезвычайно древних и уникальных светособирающих комплексах цианобактерий Gloeobacter violaceus, которые более двух миллиардов лет адаптировались в условиях нехватки солнечного света на ранней Земле.
Древнейшие создатели кислорода и их эволюционный вклад
Цианобактерии, возникшие почти 3,5 миллиарда лет назад, оказали колоссальное влияние на развитие жизни на нашей планете. Именно они первыми освоили способность к кислородному фотосинтезу, превратив атмосферу Земли в насыщенную кислородом. Благодаря этому революционному процессу зародились и развились многочисленные формы аэробных организмов, включая все растения и животных.
Ключевым структурным элементом, который позволил цианобактериям эффективно использовать солнечный свет, стали особые белковые комплексы — фикобилисомы. Эти красочные молекулярные машины улавливают фотоны даже в самых темных водоемах, передавая энергию на хлорофиллы, где начинается процесс фотосинтеза. По этой причине цианобактерии сумели “завоевать” экологические ниши, недоступные остальным живым организмам.
Gloeobacter violaceus: загадка строения фикобилисомы
Цианобактерия Gloeobacter violaceus занимает особое место в ряду фотосинтезирующих организмов. Обнаруженная более сорока лет назад, она отличается особенно архаичной и необычной структурой светособирающего комплекса. До недавнего времени архитектура этих фикобилисом оставалась для ученых загадкой, так как ни одна из существующих технологий не позволяла получить подробную картину их строения.
Извлечение и очистка образцов этого древнего организма — кропотливый и сложный процесс. Культура G. violaceus чрезвычайно медленно растет, требует особых условий и быстрого фиксирования белков без разрушения их структуры. Только спустя годы экспериментов ученым удалось получить высококачественный образец для масштабного анализа, открыв тем самым ворота к детальному изучению светособирающих машин жизни.
Фикобилисомы: природные фотоантенны и их уникальное устройство
Фикобилисомы считаются одними из самых сложных по строению и масштабам белковых комплексов в мире живого. Комплекс Gloeobacter violaceus поразил исследователей своими размерами: его линейные показатели превышают 45х55 нанометров — более чем вдвое больше рибосомы. Эти комплексы состоят из 500 различных белков, объединяющих около 850 молекул пигментов билиновой природы.
Главным преимуществом фикобилисом является их способность поглощать световой спектр, недоступный для многих других фотосинтезирующих структур, что и позволило G. violaceus оставаться продуктивной даже при очень низкой освещенности. Уникальность архитектуры этого комплекса обеспечивается специальными линкерными белками, структуру которых удалось расшифровать впервые в мировой науке.
Прорыв в расшифровке структуры: метод криоэлектронной микроскопии
Постижение тайн фикобилисом Gloeobacter violaceus стало возможным благодаря современным технологиям криоэлектронной микроскопии. Этот уникальный метод позволяет получать трёхмерные изображения сверхсложных макромолекулярных комплексов с атомарным разрешением. Многоэтапная подготовка и анализ длились не один месяц, потребовав от ученых совместной сосредоточенности и точности в вычислениях.
В процессе работы выявлены ключевые особенности организации комплекса: связь белков с билиновыми пигментами, тонкая структура линкерных белков, а также архитектурные решения природы, ранее не наблюдавшиеся у других фотосинтетиков. Полученная трехмерная модель позволяет не только по-новому взглянуть на эволюцию фотосистем за миллиарды лет развития жизни, но и вдохновляет на разработку новых инновационных материалов и биомиметических фотоэлементов.
Молекулярный путь энергии: световая эстафета внутри клетки
Благодаря тщательному анализу ученые смогли визуализировать и описать процесс переноса световой энергии внутри фикобилисомы Gloeobacter violaceus. Каждый белковый элемент принимает энергию фотонов, передавая её по определённым “маршрутам” на молекулы хлорофилла. Открытие механизмов этого светового “релле” особенно ценно для понимания, как же ранняя жизнь сумела столь эффективно усвоить и преобразовать солнечную энергию.
Важная новизна исследования — идентификация уникального дуэта фотоактивных белков, связанных с каротиноидами. Они регулируют процесс передачи энергии и защищают все фотосинтетические структуры от возможных перегрузок. Это открывает новые перспективы для управления фотосинтезом не только в природе, но и в будущих биотехнологиях.
Вклад российского научного сообщества и взгляд в будущее
Работа ведущих научных коллективов России, объединённых в рамках масштабного проекта при поддержке РНФ, демонстрирует конкурентоспособность отечественной научной школы на мировом уровне. Полученные трехмерные структурные данные о фикобилисоме Gloeobacter violaceus открывают кардинально новые возможности для исследования эволюции фотосинтетических организмов, а также закладывают основу для создания природоподобных систем сбора и преобразования света.
Изучение столь эффективных природных механизмов передачи энергии вдохновляет учёных на новые открытия. Разработка инновационных биоэлектронных устройств, солнечных панелей и катализаторов на базе принципов, заложенных в фикобилисомах, становится реальностью. Российская наука, двигаясь в этом направлении, открывает перспективу для устойчивого развития и “зеленых” технологий будущего.
Источник: indicator.ru
