На протяжении десятилетий наука изучала основы фотосинтеза — процесса, посредством которого растения превращают солнечный свет в пищу. Однако фотосинтез происходит на уникальных специализированных мембранах, которые ученые только начинают понимать. Эти мембраны должны постоянно собираться, перестраиваться и восстанавливаться по мере роста растений и их реакции на стресс.
Теперь группа исследователей из Университета Небраски-Линкольн нанесла на карту новый участок внутри хлоропластов, который служит конвейером для сборки фотосинтетических мембран. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, определяет конкретную область внутри клетки, где строится, ремонтируется и поддерживается механизм жизни.
Это открытие стало кульминацией многолетней мечты Ребекки Ростон, доцента Центра инноваций в растениеводстве и кафедры биохимии: «Меня, как аспиранта, завораживала мысль о том, что мы знаем, где находится каждый атом фотосистемы, но понятия не имеем, как на самом деле устроена её структура. Однажды мне даже приснилось, что у меня будет собственная лаборатория и я попытаюсь во всем разобраться».
Но путь к открытию был отнюдь не простым. Проект опирался на команду исследователей, которые все же добились успеха.
Аспирант Эван ЛаБрант возглавил первоначальное исследование, проведя скрининг десятков белков, чтобы определить их локализацию в клетке. Он разработал стратегию с использованием флуоресцентной маркировки. Его блестящие способности и знание научной литературы сыграли решающую роль в успехе проекта, как и способности его стажера, Джослина Ишимве. Вместе они выявили несколько ключевых белков-кандидатов, которые обнаруживались в специализированных областях внутри хлоропластов. Ишимве опробовал новую методику машинного обучения для количественной оценки тысяч микроскопических изображений, полученных ЛаБрантом.
Чтобы доказать, что именно эти белки отвечают за построение мембран, к команде присоединилась Кейлин Смит. Тщательные эксперименты Смит показали, что при отсутствии определенных белков, таких как TVPFP или PMFP, фотосинтетические мембраны растений дезорганизуются.
В сотрудничестве с опытным микроскопистом Барой Альтартури Смит показала, что у мутантов tvpfp области контакта мембран были значительно расширены, тогда как у мутантов pmfp плотность мест контакта была снижена.
Группа студентов-исследователей, Лорен Литтерер и Аллан Таллис, под руководством Смит, не знавших о принадлежности образцов к той или иной группе, провела количественную оценку изображений. Полученные результаты связали эти ранее не охарактеризованные белки с организацией фотосинтетической мембраны и подтвердили идею о том, что хлоропласты содержат специализированные области, предназначенные для поддержания целостности мембраны.
Последним недостающим элементом головоломки стал масштабный протеомный анализ. Алондра Торрес-Генера, которая присоединилась к лаборатории Ростон после поисков подходящего направления исследований, работала с экспертом по протеомике Майклом Налдреттом над профилированием белков. Фан Хуан объединился с Торрес-Генерой для проведения параллельного протеомного анализа.
Этот подход позволил выявить фракцию промежуточной плотности «легких тилакоидов» с характерной функциональной сигнатурой: она была обогащена белками, участвующими в транспорте липидов, метаболизме липидов и других процессах, связанных с ремоделированием мембран и поддержанием органелл. Фракция также содержала множество белков, гомологичных известным факторам контактных участков мембран, что подтверждает идею о том, что она отражает структурированный интерфейс, а не просто загрязнение от соседних мембран.
Почему эти результаты важны
Понимание того, как растения строят и восстанавливают свои уникальные мембранные структуры, поддерживающие фотосинтез, имеет важное значение для будущего сельского хозяйства и возобновляемой энергетики.
В сельском хозяйстве фотосинтетические мембраны являются основной мишенью стресса — экстремальные температуры, засуха и интенсивное солнечное излучение повреждают их, снижая урожайность. Лучшее понимание того, как растения собирают и восстанавливают структуры, поддерживающие фотосинтез, может помочь исследователям выявить новые механизмы повышения устойчивости — давняя цель улучшения сельскохозяйственных культур.
В то же время фотосинтетические мембраны представляют собой одну из наиболее эффективных природных систем преобразования солнечной энергии. Разъясняя, как растения строят прочные фотосинтетические мембраны и поддерживают их архитектуру, работа также предлагает концепции и списки молекулярных компонентов, которые могут послужить основой для разработки биоинспирированных, биомиметических или биогибридных мембран для применения в возобновляемой энергетике, например, в технологиях преобразования солнечной энергии в топливо или солнечную энергию в электричество.
Исследование представляло собой междисциплинарную работу с использованием лаборатории протеомики и метаболомики Университета Небраски-Линкольн и научно-исследовательского центра микроскопии им. Моррисона. И ЛаБрант, и Смит успешно защитили свои диссертации после завершения работы.
Источник: University of Nebraska-Lincoln. Автор: Ребекка Ростон.