Криоэлектронная томография впервые показала структуру фотосистем растений внутри клеток

Ученые из Великобритании и Германии впервые визуализировали структуру фотосистемных суперкомплексов растений в их естественном состоянии — внутри клеток. Работа, опубликованная в журнале Nature, основана на методе криоэлектронной томографии (cryo-ET), который позволяет получать трехмерные изображения биологических молекул с атомарным разрешением без нарушения их нативной среды. Это открытие дает беспрецедентное понимание того, как фотосинтез организован в живой клетке, и может привести к созданию более эффективных сельскохозяйственных культур.

Структура фотосистем в действии

Фотосистемы — это белковые комплексы, отвечающие за преобразование световой энергии в химическую в процессе фотосинтеза. Ранее их изучали в изолированном виде, что не отражало реальную организацию в мембране. В новом исследовании ученые заморозили целые клетки растений Arabidopsis thaliana и с помощью cryo-ET получили структуры фотосистемы II (PSII) и фотосистемы I (PSI) вместе с их антенными комплексами — суперкомплексами, которые собирают свет.

Оказалось, что в мембране тилакоидов PSII и PSI организованы в плотные кластеры, а их антенные белки LHCII (light-harvesting complex II) располагаются таким образом, чтобы оптимизировать передачу энергии. Впервые удалось увидеть, как суперкомплексы PSII-LHCII образуют димеры и более крупные сборки, а PSI-LHCII — мономеры, которые взаимодействуют с соседними комплексами.

Почему изучение фотосистем in situ так важно?

Изучение фотосистем в их естественной среде, внутри клетки, позволяет увидеть истинную архитектуру и взаимодействия, которые теряются при изоляции. Предыдущие методы, такие как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия отдельных частиц, требовали разрушения мембран и очистки комплексов, что могло изменять их структуру. Cryo-ET, напротив, фиксирует комплексы в их родном липидном окружении, сохраняя все контакты с другими белками и липидами. Это особенно важно для понимания таких процессов, как не-фотохимическое тушение (NPQ), которое защищает растения от повреждения при избытке света. В суперкомплексах обнаружены конформационные изменения, которые, вероятно, переключают энергию на рассеивание в виде тепла.

Предыстория и контекст

Фотосинтез — ключевой процесс для жизни на Земле, и его эффективность напрямую зависит от организации фотосистем. Предыдущие исследования структуры PSII и PSI проводились с помощью рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии (cryo-EM), но эти методы требовали изоляции комплексов из мембран. Cryo-ET позволяет изучать их in situ, то есть в родной среде, что дает более реалистичную картину.

Важность работы также в том, что она объясняет механизм не-фотохимического тушения (NPQ) — процесса, защищающего растения от повреждения при избытке света. В суперкомплексах обнаружены конформационные изменения, которые, вероятно, переключают энергию на рассеивание в виде тепла.

Как работает криоэлектронная томография?

Криоэлектронная томография работает путем заморозки образца в стекловидный лед, что сохраняет его естественную структуру. Затем образец наклоняется под разными углами, и снимается серия изображений. Компьютерная реконструкция собирает эти проекции в трехмерную карту. В данном случае использовали образцы листьев Arabidopsis, которые быстро заморозили, чтобы зафиксировать мгновенное состояние фотосистем. Этот метод позволяет получать изображения с разрешением до нескольких ангстрем, достаточным для идентификации отдельных атомов.

Технические подробности и значение для науки

Разрешение полученных томограмм составило около 3–4 ангстрем, что позволило увидеть расположение отдельных аминокислот и хлорофиллов. В суперкомплексе PSII-LHCII авторы идентифицировали 25 белковых субъединиц и 100 молекул хлорофилла. Впервые показано, что между соседними димерами PSII существуют липидные мостики, которые могут влиять на подвижность комплексов.

Сравнение с изолированными структурами выявило, что в нативном состоянии некоторые субъединицы принимают другую конформацию. Например, белок PsbS, участвующий в NPQ, расположен на периферии суперкомплекса, а не внутри, как предполагалось ранее. Это меняет представление о механизме защиты от избытка света.

Какие перспективы открывает это исследование для биотехнологии?

Открытие имеет прямое значение для биотехнологов, работающих над повышением урожайности сельскохозяйственных культур. Понимание точной архитектуры фотосистем позволяет моделировать более эффективные пути передачи энергии. Для экологов результаты объясняют, как растения адаптируются к разным уровням освещения в природных условиях. В России и странах СНГ исследования фотосинтеза ведутся в институтах физиологии растений и биофизики. Новые данные могут быть использованы для модификации фотосистем в генетически модифицированных растениях, что актуально для агросектора.

Что будет дальше

Следующий шаг — изучение динамики фотосистем при изменении освещения. Cryo-ET позволяет не только статические снимки, но и сравнительный анализ разных состояний. Возможно, будут созданы модели работы фотосистем в реальном времени. Также планируется исследовать суперкомплексы в других растениях, включая водоросли и цианобактерии. Ученые надеются, что эти данные помогут разработать искусственные системы фотосинтеза для устойчивого производства энергии.

Итог

Использование криоэлектронной томографии для визуализации фотосистем in situ открыло новую главу в изучении фотосинтеза. Теперь ученые видят, как белковые машины работают в естественной среде, что приближает нас к созданию искусственных систем преобразования света и повышению продуктивности растений. Это исследование — важный шаг к пониманию одного из самых фундаментальных процессов на Земле.