Team kaster nyt lys over fotosyntese

Et team af forskere fra ASU's School of Molecular Sciences og Pennsylvania State University har taget os et skridt tættere på at låse op for fotosyntesens hemmeligheder, og muligvis til renere brændstoffer.

Deres opdagelse blev for nylig offentliggjort online i Videnskab og beskriver strukturen af ​​et reaktionscenter (fra en heliobakterie), som bevarer egenskaberne af det forfædres, og giver således ny indsigt i udviklingen af ​​fotosyntese.

Fotosyntese er den vigtigste biologiske proces, der driver biosfæren. Det udnytter solens energi, og giver os vores vigtigste kilder til mad og brændstof. Studiet af fotosyntese har gjort det muligt for videnskabsmænd ikke kun at forstå forviklingerne af, hvordan organismer bruger lys til at drive deres stofskifte, men har også banet vejen for teknologiske fremskridt inden for bæredygtige energikilder.

"Den fotosynteseproces opstod først for omkring 3 milliarder år siden, før jordens atmosfære indeholdt ilt, sagde Kevin Redding, en professor ved School of Molecular Sciences i College of Liberal Arts and Sciences, hvis gruppe leder forskningen på ASU. "Fotosyntese fungerer ved at bruge specialiserede membranproteiner, kaldet fotosyntetiske reaktionscentre, som samler energien fra lys og bruger den til at pumpe elektroner hen over en biologisk membran fra en cellulær elektronbærer til en anden, resulterer i omdannelse af elektromagnetisk (dvs. lys) energi til kemisk energi, som organismen kan bruge."

En hel del forskning har fastslået, at disse reaktionscentre kun dukkede op én gang på planeten, og har siden diversificeret sig til at udføre forskellige slags kemi.

På trods af diversificeringen, reaktionscentrene bevarer den samme overordnede arkitektur, afspejler deres fælles oprindelse. I løbet af de sidste 3 milliarder år er disse proteiner blevet udviklet og ændret, og det har været svært at rekonstruere, hvad der skete i denne enorme periode. Imidlertid, vi ved, at en af ​​dem udviklede evnen til at oxidere vand, frigiver ilt. Dette ændrede verden uigenkaldeligt, og gav mulighed for livet, som vi kender det i dag.

Teamet mener, at det første reaktionscenter (RC) var meget enklere end de versioner, der findes i dag. Med hensyn til proteinstrukturen, det var en homodimer - dvs. to kopier af det samme polypeptid kom sammen for at danne en symmetrisk struktur. Reaktionscentrene, hvis strukturer vi kender, alle er heterodimerer, hvori denne iboende symmetri er blevet brudt, selvom de i deres hjerte stadig bevarer resterne af den oprindelige symmetriske arkitektur.

Artiklens heliobakterie i Videnskab er medlem af de mest primitive af de fotosyntetiske bakterier, bakterier, der ikke laver ilt - faktisk, de er fuldstændig intolerante over for ilt, ligesom de første organismer. De kan heller ikke reparere kuldioxid fra atmosfæren og skal bruge organiske kulkilder. Vigtigt for denne undersøgelse, deres RC er en homodimer.

Dermed, dette er den første homodimere RC-struktur, og den kaster lys på flere måder over, hvordan den forfædres RC kan have set ud. På flere måder ligner proteinets overordnede arkitektur meget fotosystemerne af planter og cyanobakterier og RC af de lilla svovlbakterier. Imidlertid, bygget på den fælles arkitektur er nogle afgørende kemiske forskelle, der resulterer i kemi forskellig fra den i de kendte RC'er, herunder deres evne til at bruge både vandopløselige og lipidopløselige bærere, en kapacitet, der tidligere menes at være begrænset til en eller anden type RC.

Dette arbejde er resultatet af et samarbejde mellem Kevin Redding, Raimund Fromme, lektor ved Molekylær Institut og forsker i Biodesign Instituttets Center for Anvendt Strukturbiologi, og John Golbeck fra Pennsylvania State University.

Redding og Golbeck havde for 8 år siden besluttet at gå sammen om at tackle den heliobakterielle RC. De kombinerede deres individuelle bevillinger fra Energiministeriet til en fælles bevilling, som siden er blevet fornyet to gange:den tredje iteration startede for et år siden. Fromme sluttede sig officielt til gruppen for omkring 4 år siden, selvom han tidligere havde arbejdet på krystallografi af RC med Iosfina Sarrou, en postdoktor i Redding -gruppen, der havde optimeret dens oprensning. Arbejdet tog virkelig fart, da Christopher Gisriel, en ph.d.-studerende i Redding-gruppen, begyndte at arbejde med Fromme for at krystallisere RC.

"Jeg krediterer Chris og Raimund for at have gjort, hvad der var nødvendigt for at få denne struktur, " sagde Redding, som også er direktør for ASU's Center for Bioenergi og Fotosyntese.

"Raimunds ekspertise i krystallisation af membranproteiner og løsningen af ​​deres struktur var afgørende. Chris gjorde det meget hårde arbejde med at forbedre oprensningen, optimering af krystallisationsbetingelserne, og tager hans krystaller til beamlines adskillige gange. Og fordi proteinet i sagens natur er iltfølsomt, han skulle gøre al oprensningen og krystalliseringen i et handskerum!"

"Dette er det øjeblik, en krystallograf venter på, " sagde Fromme, forklarer de år, det kan tage at dyrke den perfekte proteinkrystal, der er egnet til røntgenundersøgelser.

Redding fortsatte, "De var i stand til at få diffraktionskvaliteten fra en opløsning på ~10 Å til 2-2,5 Å i løbet af et par år med meget hårdt arbejde ... og så kom den herkuliske opgave med at løse strukturen. Chris startede med en meget strippet model af hvordan RC kan se ud, baseret på forventede ligheder med det cyanobakterielle fotosystem I, og arbejdede derefter konstant på det i flere måneder. Han måtte lære sig selv ny software og arbejde lange nætter for at nå dertil. Engang havde han noget, der så rigtigt ud, Raimund var i stand til at tage det og skubbe det til næste niveau. Og sammen har de produceret en virkelig smuk struktur i meget høj opløsning."

"Chris er en veteran fra den amerikanske hær, efter at have tjent i Afghanistan, " sagde Redding. "Han kom til ASU som hovedfag i biokemi og begyndte at arbejde i mit laboratorium som bachelorforsker. Har aldrig seriøst overvejet muligheden for en karriere inden for forskning før, han var først usikker på, hvor langt han ville gå ad denne vej. Imidlertid, han udviklede snart en smag for det, og derefter pressede mig til at give ham lov til at påtage sig RC-krystallografiprojektet som kandidatstuderende. Jeg advarede ham imod det, vel vidende hvor svært det ville være og de lave chancer for succes, men han vedblev, og til sidst gav jeg op. Han besluttede sig senere for at tage en doktorgrad. Han vil forsvare sin afhandling senere på semesteret, og jeg kunne ikke være stoltere af ham."

"Dette reaktionscenter findes kun i organismer, der kan leve i iltfrie omgivelser, som den tidlige Jord, " sagde Gisriel. "Dette arbejde har åbnet døren for videnskabsmænd over hele verden til at sammenligne det primitive reaktionscenters egenskaber med dem af mere avancerede reaktionscentre, der bor i ilttolerante organismer. Som resultat, vi får et mere klart og informeret billede af, hvordan naturen optimerede lysdrevet energiopsamling."