Иллюстрация тилакоидной мембраны цианобактерий. Предоставлено: Лунинг Лю и др.
Новое исследование, проведенное учеными из Ливерпульского университета, показывает, как древние фотосинтезирующие организмы - цианобактерии - развивают свои фотосинтетические механизмы и организуют архитектуру фотосинтетических мембран для эффективного захвата солнечного света и преобразования энергии.
Кислородный фотосинтез, осуществляемый растениями, водорослями и цианобактериями, производит энергию и кислород для жизни на Земле и, возможно, является наиболее важным биологическим процессом. Цианобактерии - одни из первых фототрофов, которые могут осуществлять кислородный фотосинтез и вносить значительный вклад в атмосферу Земли и ее первичное производство.
Светозависимые фотосинтетические реакции выполняются набором фотосинтетических комплексов и молекул, размещенных в специализированных клеточных мембранах, называемых тилакоидными мембранами. В то время как в некоторых исследованиях сообщалось о структурах фотосинтетических комплексов и о том, как они осуществляют фотосинтез, исследователи все еще мало понимали, как строятся и развиваются нативные тилакоидные мембраны, чтобы стать функциональным объектом в клетках цианобактерий.
Исследовательская группа во главе с профессором Лунинг Лю из Института систем, молекулярной и интегративной биологии Университета разработала метод контроля образования тилакоидных мембран во время роста клеток и использовала современную протеомику и микроскопические изображения для характеристики ступенчатый процесс созревания тилакоидных мембран. Их результаты опубликованы в журнале. Природа связи.
«Мы очень взволнованы результатами, - сказал профессор Лю. «Наше исследование рисует картину того, как фототрофы генерируют, а затем развивают свои фотосинтетические мембраны, и как различные фотосинтетические компоненты включаются и располагаются в тилакоидной мембране для эффективного фотосинтеза - давний вопрос в этой области».
Первый автор исследования, доктор Туомас Хуокко, сказал: «Мы обнаружили, что вновь синтезированные тилакоидные мембраны возникают между периферической клеточной мембраной, называемой плазматической мембраной, и уже существующим тилакоидным слоем. Обнаруживая состав белков и фотосинтетическую активность в процессе развития тилакоидов, мы также обнаружили, что фотосинтетические белки хорошо контролируются в пространстве и времени, чтобы эволюционировать и собираться в мембраны тилакоидов ».
Новое исследование показывает, что тилакоидная мембрана цианобактерий представляет собой действительно динамичную биологическую систему и может быстро адаптироваться к изменениям окружающей среды во время роста бактерий. В тилакоидах фотосинтетические белки могут диффундировать из одного положения в другое и образовывать функциональные «белковые острова», чтобы работать вместе, обеспечивая высокую эффективность фотосинтеза.
«Поскольку цианобактерии осуществляют фотосинтез, подобный растениям, знания, полученные из тилакоидных мембран цианобактерий, могут быть распространены на тилакоиды растений», - добавил профессор Лю. «Понимание того, как естественные механизмы фотосинтеза развиваются и регулируются у фототрофов, жизненно важно для настройки и повышения эффективности фотосинтеза. Это предлагает решения для устойчивого улучшения фотосинтеза сельскохозяйственных культур и урожайности в контексте изменения климата и роста населения. Наши исследования могут также помочь в разработке и создании искусственных фотосинтетических устройств для эффективного переноса электронов и производства биоэнергии ».
Ссылка: «Исследование пути биогенеза и динамики тилакоидных мембран» Туомаса Хуокко, Тао Ни, Грегори Ф. Дайкса, Деборы М. Симпсон, Филипа Браунриджа, Фабиана Д. Конради, Роберта Дж. Бейнона, Питера Дж. Никсона, Конрада В. Муллино, Пейджун Чжан и Лю-Нин Лю, 9 июня 2021 г., Природа связи.
DOI: 10.1038/s41467-021-23680-1
Исследование проводилось в сотрудничестве с Университетским центром исследований протеома, Центром визуализации клеток и отделом биомедицинской электронной микроскопии, а также с исследователями из Оксфордского университета, Лондонского университета королевы Марии и Имперского колледжа Лондона. Исследование финансировалось BBSRC, Королевским обществом, Wellcome Trust и Leverhulme Trust.
