Ілюстрація тилакоїдної мембрани ціанобактерій. Авторство зображення: Luning Liu та ін.
Нове дослідження, проведене дослідниками з Університету Ліверпуля, показує, як стародавні фотосинтезуючі організми – ціанобактерії – розвивають свій фотосинтетичний механізм і організовують свою фотосинтетичну мембранну архітектуру для ефективного захоплення сонячного світла та передачі енергії.
Кисневий фотосинтез, який здійснюють рослини, водорості та ціанобактерії, виробляє енергію та кисень для життя на Землі та є, мабуть, найважливішим біологічним процесом. Ціанобактерії є одними з перших фототрофів, які можуть здійснювати кисневий фотосинтез і вносити значний внесок у атмосферу Землі та первинне виробництво.
Світлозалежні фотосинтетичні реакції виконуються набором фотосинтетичних комплексів і молекул, розміщених у спеціалізованих клітинних мембранах, які називаються тилакоїдними мембранами. У той час як деякі дослідження повідомляли про структуру фотосинтетичних комплексів і про те, як вони здійснюють фотосинтез, дослідники все ще мало розуміли, як будуються та розвиваються рідні тилакоїдні мембрани, щоб стати функціональною сутністю в клітинах ціанобактерій.
Дослідницька група під керівництвом професора Лунінга Лю з Інституту систем, молекулярної та інтегративної біології університету розробила метод контролю утворення тилакоїдних мембран під час росту клітин і використала найсучаснішу протеоміку та мікроскопічне зображення для характеристики ступінчастий процес дозрівання тилакоїдних мембран. Їх результати опубліковані в журналі Природа зв'язку.
«Ми дуже в захваті від знахідок», — сказав професор Лю. «Наше дослідження малює картину того, як фототрофи генерують і потім розвивають свої фотосинтетичні мембрани, а також те, як різні фотосинтетичні компоненти включені та розташовані в тилакоїдній мембрані для здійснення ефективного фотосинтезу — давнє питання в цій галузі».
Перший автор дослідження, доктор Туомас Хуокко, сказав: «Ми виявили, що нещодавно синтезовані тилакоїдні мембрани виникають між периферичною клітинною мембраною, яка називається плазматичною мембраною, і вже існуючим тилакоїдним шаром. Виявляючи білкові композиції та фотосинтетичну активність під час процесу розвитку тилакоїдів, ми також виявили, що фотосинтетичні білки добре контролюються в просторі та часі для еволюції та збирання в мембрани тилакоїдів».
Нове дослідження показує, що ціанобактеріальна тилакоїдна мембрана є справді динамічною біологічною системою та може швидко адаптуватися до змін навколишнього середовища під час росту бактерій. У тилакоїдах фотосинтетичні білки можуть дифундувати з однієї позиції в іншу та утворювати функціональні «білкові острівці», щоб працювати разом для високої ефективності фотосинтезу.
«Оскільки ціанобактерії здійснюють фотосинтез, схожий на рослинний, знання, отримані від тилакоїдних мембран ціанобактерій, можна поширити на тилакоїди рослин», — додав професор Лю. «Розуміння того, як природні фотосинтетичні механізми розвиваються та регулюються у фототрофах, є життєво важливим для налаштування та підвищення фотосинтетичної продуктивності. Це пропонує рішення для сталого покращення фотосинтезу сільськогосподарських рослин і врожайності в контексті зміни клімату та зростання населення. Наше дослідження також може принести користь розробленню та створенню штучних фотосинтетичних пристроїв для ефективного перенесення електронів і виробництва біоенергії».
Довідка: «Дослідження шляху біогенезу та динаміки тилакоїдних мембран» Туомаса Хуокко, Тао Ні, Грегорі Ф. Дайкса, Дебори М. Сімпсон, Філіпа Браунріджа, Фабіана Д. Конраді, Роберта Дж. Бейнона, Пітера Дж. Ніксона, Конрада В. Mullineaux, Peijun Zhang і Lu-Ning Liu, 9 червня 2021 р., Природа зв'язку.
DOI: 10.1038/s41467-021-23680-1
Дослідження проводилося у співпраці з Університетським центром дослідження протеомів, Центром клітинної візуалізації та відділом біомедичної електронної мікроскопії, а також дослідниками з Оксфордського університету, Лондонського університету королеви Мері та Імперського коледжу Лондона. Дослідження фінансувалося BBSRC, Royal Society, Wellcome Trust і Leverhulme Trust.
