Фотосинтетическая бактерия Chlorobaculum tepidum процветает в бескислородных глубинах или отложениях озер. На самом деле кислород может отравить его, повредив его чувствительный центр реакции, который преобразовывает энергию света в химическую энергию.
Чтобы выжить, у бактерии должны быть точно настроенная реакция на свет и кислород, который может быть поднят или вниз по мере необходимости.Эта «фотосинтетическая регулировка громкости» позволяет бактерии переживать воздействие кислорода, когда свет мог иначе вредить ему.Роберт Блэнкеншип, профессор Лусилл П. Марки Дистингуишед Искусств и Наук в Биологии и Химии, исследовательская группа которой обнаружила этот новый механизм, думает, что новое понимание могло помочь ученым спроектировать другие зеленые организмы, чтобы также терпеть кислород или предоставить им дополнительные способы рассеять нежелательную энергию.О результатах сообщают в выпуске 20 июня Слушаний Национальной академии наук.
Давняя тайнаChlorobaculum адаптирован к жизни в вонючем серном иле грязей дна озера, где есть минимальный кислород. Если это подвергнуто воздействию кислорода, у бактерии должен быть способ отключить фотосинтез, шунтируя энергию далеко от ее центра реакции – сердце фотосинтеза, где энергия света преобразована в молекулярную энергию, клетка может использовать.
Суммой энергии, поражающей центр реакции, управляют обширные «комплексы антенны». Эти огромные сети белка и хлорофилла направляют энергию в центр реакции, как большие массивы зеркал, которые концентрируют солнечный свет в единственном пункте в солнечных башнях.Заводы и другие фотосинтетические организмы, как правило, полагаются на дополнительные пигменты, такие как оранжевые каротиноиды, чтобы безопасно поглотить и рассеять избыточную энергию, таким образом действуя как своего рода молекулярный солнцезащитный крем.
Этот процесс называют, подавляя, и, больше 20 лет, ученые знали, что белок антенны, который FMO в Chlorobaculum мог подавить, но что это сделало так без каротиноидов или других известных мер защиты. Они понятия не имели, как это сделало это.Исследователи предложили, чтобы редкие модификации аминокислот, стандартные блоки белков, могли бы составлять подавление FMO способности, но не имели никакого способа проверить эту идею.
«Это была действительно тайна в течение долгого времени», сказал Блэнкеншип. «Мы знали, что это был большой эффект. Но не было никакого способа, которым мы могли выяснить, как это на самом деле работало».Умное решение
Тайна осталась нерешенной, пока достижения в масс-спектрометрии белка не позволили Грегори Орфу, постдокторскому ученому тогда в лаборатории Блэнкеншипа и теперь в Университете штата Аризона, точно исследовать аминокислоты глубоко в белке FMO.Там, Orf нашел не комплекс, измененные аминокислоты, что подозреваемые ученые объяснят подавление, но просто два нормальных цистеина, одну из 20 стандартных аминокислот.
«Я заметил, что единственные аминокислоты, у которых была любая значительная разница в реактивности с и без кислорода, были этими двумя цистеинами, и они – эти только два цистеина в целом белке», сказал Орф.Цистеины были рядом с этими двумя хлорофиллами, самыми близкими к центру реакции, хорошему местоположению для фотосинтетического переключателя вкл/выкл.
Исследователи нашли, что, если они изменили эти цистеины так, чтобы они были неспособны ответить на кислород, или занял место менее – активные аминокислоты для них, эффект подавления исчез. Каждый цистеин внес свой собственный эффект, но они также действовали совместно, создавая ответ подавления, больше, чем сумма его частей.«Мы думаем, что, когда кислород вокруг, цистеин может украсть взволнованный электрон из своего соседнего хлорофилла, чтобы выпустить ту энергию света в форме безопасного тепла», сказал Орф.
Этот основанный на цистеине механизм подавления, который в новинку для области, может предложить способ изящно спроектировать кислородную терпимость в другие фотосинтетические организмы, такие как производящие биотопливо морские водоросли, или в «искусственные» фотосинтетические системы.«Это – важность этой работы, я думаю – кроме попытки понять, как эта фотосинтетическая бактерия работает», сказал Блэнкеншип.
«Этот довольно простой механизм для того, чтобы включить и выключить энергетическую передачу мог быть спроектирован в несколько различных систем».