Фотосинтез — это химическое преобразование солнечного света в химическую энергию через цепь переноса электронов, которая необходима почти для всего живого на нашей планете. Все растения работают посредством фотосинтеза, так же как водоросли и некоторые разновидности бактерий.
Химадри Б. Пакраси, Мирон и Соня Глассберг / Заслуженный профессор Университета Альберта и Бланш Гринсфельдер и директор Международного центра энергетики, окружающей среды и устойчивого развития, постдокторант Даниэль А. Вайс и Майкл Л. Гросс, профессор химии, изучали прапрадедушка всех фотосинтезирующих организмов — штамм цианобактерий — чтобы разработать первую экспериментальную карту водного мира этого организма.Это открытие продвигает исследования фотосинтеза, но также представляет собой прогресс в исследованиях зеленого топлива:
Чтобы преобразовать солнечный свет в полезную форму энергии, фотосинтезирующим организмам требуется вода на «активном участке» белкового комплекса Photosystem II. Но каналы, по которым вода поступает в активный центр, сложно измерить экспериментально. Активные формы кислорода производятся на активном участке и перемещаются от него в направлении, противоположном направлению воды, оставляя за собой «след повреждения».
«Мы идентифицировали поврежденные участки в Фотосистеме II с помощью масс-спектрометрии с высоким разрешением и обнаружили, что они обнаруживают несколько путей, сосредоточенных в активном центре и ведущих от него до поверхности комплекса», — сказал Вайс, ведущий автор исследования. статья, появившаяся в выпуске журнала Science Advances от 17 ноября. «Мы предполагаем, что эти пути представляют собой каналы внутри комплекса, которые можно использовать для доставки воды к активному участку».«Фотосистема II имеет очень сложный механизм, и очень важно понимать его процессы и эволюцию», — сказал Пакраси, который занимается обширными исследованиями цианобактерий более 25 лет. «Интерес к зеленой энергии растет, и наши знания о поведении этого фермента могут когда-нибудь быть использованы для создания искусственной системы, имитирующей настоящий фермент, для производства большого количества устойчивой энергии».
Активный центр Фотосистемы II — это кластер ионов марганца, кальция и кислорода, похороненный глубоко внутри комплекса, вдали от водной среды клетки.
Исследователи давно предполагают, что активный центр, или марганцевый кластер, должен иметь систему каналов, и теоретические модели, созданные на суперкомпьютерах, слабо предсказывали их существование. Но движение воды сложно охарактеризовать экспериментально.
Исследователи пошли окольным путем, чтобы очертить каналы. «След повреждения» состоит из 36 аминокислотных остатков по существу из трех белков, обнаруженных рядом с марганцевым кластером с помощью высокотехнологичного масс-спектрометра химика Гросса, который был докторантом Вайса вместе с Пакраси и также был назначен в Медицинскую школу Вашингтонского университета. за его работу в масс-спектрометрии. Эти повреждающие активные формы кислорода, также известные как радикалы, исходят и рассеиваются из кластера в направлении водянистой среды клетки. Радикалы проходят через Фотосистему II как торнадо, атакуя и повреждая ближайшие аминокислотные компоненты Фотосистемы II, с которыми они сталкиваются на своем пути.Поскольку радикалы и вода имеют схожие свойства, такие как размер и гидрофильность, исследователи предполагают, что пути следа повреждения, выходящие из кластера, очень похожи на пути, которые вода идет внутрь к активному центру.
«Мы непосредственно наблюдаем за путями радикалов, а не за водой», — сказал Вайс. «Но, учитывая свойства радикалов, сходные с водой, а также предыдущие результаты компьютерного моделирования, мы полагаем, что эти пути — те же самые, что вода ведет внутрь».Такой подход к обнаружению водных каналов считается косвенным, потому что он основан на движении высокореактивных радикалов, а не самой воды.
Прокси, по словам Вайса, «это все равно что оставить след из хлебных крошек по тропинке в лесу. Если кто-то сможет найти хлебные крошки, он может вернуться по тропинке, проложенной из леса».Исследователи смогли идентифицировать множество поврежденных остатков благодаря невероятной точности, скорости и чувствительности масс-спектрометрического прибора Гросса. «С более ранними приборами, которые были более медленными и менее чувствительными, было труднее с уверенностью идентифицировать большое количество поврежденных участков», — сказал Вайс. «Мощные возможности этого инструмента позволили нам получить эти результаты».
«Цианобактерии являются прародителями хлоропластов растений», — сказал Пакраси. «Фотосистема II сохраняется у всех кислородных фотосинтезирующих организмов. Мы точно знаем, что природа изобрела эту машину только однажды, а затем передала ее от цианобактерий водорослям и растениям».
Исследование было поддержано: грантом DE-FG02-99ER20350 Отдела химических наук, наук о Земле и биологических наук, Управление фундаментальных энергетических наук, Управление науки, Министерство энергетики США (DOE); DE-SC 0001035 от Исследовательского центра фотосинтетических антенн, Исследовательского центра энергетических рубежей, финансируемого Министерством энергетики США, Управление фундаментальных энергетических наук; и 2P41GM103422 от Национального института здоровья.