Фотосинтез представляет собой удивительный природный механизм, благодаря которому происходит преобразование солнечного света в энергию химических связей. Особенно элегантное решение для сбора и трансформации световой энергии создала природа в фотосинтезирующих бактериях. Ключевую роль в их фотосинтетическом аппарате играют специализированные светособирающие комплексы LH (light-harvesting). Понимание архитектуры этих сложных молекулярных структур открывает захватывающие перспективы в изучении механизмов преобразования солнечной энергии. Группа российских исследователей достигла впечатляющего успеха, расшифровав трехмерную структуру комплекса LH2 из пурпурной серной бактерии Ectothiorhodospira haloalkaliphila с рекордным разрешением 1.7 ангстрем.
Светособирающие комплексы бактерий представляют собой изящную конструкцию из повторяющихся модулей — субъединиц. Каждая субъединица включает два типа полипептидов (α и β) и природные пигменты — бактериохлорофилл и каротиноиды. Примечательно, что разные виды бактерий могут формировать комплексы с различным количеством субъединиц и составом компонентов, адаптируясь к условиям среды. До настоящего исследования была известна только одна высокоразрешенная структура LH2 из пурпурных серных бактерий — семисубъединичный комплекс Marichromatium purpuratum, содержащий по две молекулы каротиноида в каждой субъединице. Новое исследование, поддержанное грантом РНФ, раскрыло уникальные особенности организации LH2 в другом представителе серных бактерий.
Революционный метод криоэлектронной микроскопии, отмеченный Нобелевской премией по химии в 2017 году, позволил преодолеть ограничения классического рентгеноструктурного анализа при работе с мембранными белками. Благодаря этому прорывному подходу удалось достичь беспрецедентной детализации структуры комплекса LH2, что открыло возможность для точного определения его состава и организации.
Исследование показало удивительную пластичность генетического аппарата Ect. haloalkaliphila — бактерия обладает целым набором генов для создания различных вариантов LH2, что позволяет ей гибко реагировать на изменения окружающей среды. В геноме обнаружено шесть пар генов, кодирующих α- и β-полипептиды. Высокое разрешение полученной структуры позволило точно определить, какая именно пара генов отвечает за формирование исследованного комплекса. Более того, удалось установить тип каротиноида в комплексе, что было подтверждено дополнительными методами. Анализ выявил существенные отличия от ранее известной структуры LH2 из Mch. purpuratum — в частности, наличие только одной молекулы каротиноида в каждой субъединице и уникальную восьмисубъединичную архитектуру.
Достигнутый уровень детализации структуры открывает новые горизонты в понимании механизмов передачи энергии в фотосинтетических системах. В отличие от большинства известных структур среднего разрешения, новые данные позволяют однозначно идентифицировать аминокислотные последовательности и точно описать взаимодействия между компонентами комплекса. Это достижение закладывает надежный фундамент для будущих исследований процессов преобразования световой энергии в природных системах.
