Коллеги из Университета штата Вашингтон, Техасского университета в Остине и Института науки Вейцмана в Израиле использовали новый, основанный на технологиях подход, чтобы заглянуть внутрь клеток листьев растений и визуализировать структуру фотосинтетической мембраны — лентообразной структуры, через которую растения поглощают солнечный свет. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
«Эти мембраны представляют собой высокоэффективные биологические солнечные элементы, — сказал главный исследователь и ведущий автор исследования Гельмут Кирхгоф. — Они преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию, которая питает не только метаболизм растений, но и метаболизм большинства живых организмов на Земле».
Структура и функции фотосинтетической мембраны обеспечиваются несколькими важнейшими белковыми комплексами — связанными группами белков, которые выполняют работу по преобразованию энергии.
Используя модельные растения из семейства горчичных, команда Кирхгофа применила передовую электронную микроскопию для создания виртуальных моделей того, как эти белки организуются в составе мембраны. Ученые обнаружили, что точный размер и состав белков имеют решающее значение для определения их расположения, что является ключевым фактором преобразования энергии.
«На молекулярном уровне структура определяет функцию», — сказал Кирхгоф. Структурная организация белков в мембране контролирует, насколько хорошо молекулы-переносчики электронов могут проходить через нее или насколько легко могут быть восстановлены поврежденные белки. Такие факторы влияют на эффективность, что в конечном итоге сказывается на урожайности семян и продуктивности растений.
Кирхгоф сравнивает эти внутриклеточные ландшафты с лесами: некоторые из них дикие и хаотичные, кажущиеся случайными, в то время как другие более точно устроены, как древесная плантация. Каждая конфигурация имеет свои функциональные компромиссы.
«Здесь есть потенциал для прогресса в сельском хозяйстве, — сказал Кирхгоф. — Влияя на эти белковые ландшафты, мы могли бы точно настроить урожайность сельскохозяйственных культур для конкретной среды».
Ученые использовали широкий спектр дисциплин, от количественной биологии до информатики, а также такие технологии, как криоэлектронная микроскопия, которая обеспечивает наноразмерное изображение структур внутри клеток, чтобы визуализировать молекулярный ландшафт. Кирхгоф описывает свой подход как аналитический конвейер, который другие ученые могут использовать для дальнейшего изучения клеточного белкового ландшафта.
Использование командой целых листьев, а не обработанного клеточного материала, также было новаторским решением.
«Мы сохранили естественную структуру, — сказал Кирхгоф. — Мы хотели понять ее в ее естественном, живом контексте».
В настоящее время исследователи разрабатывают виртуальные модели белковых ландшафтов и проводят эксперименты, чтобы определить, как различные условия освещения влияют на структурное развитие этих ландшафтов. Кирхгоф планирует использовать новый конвейер обработки данных для визуализации и анализа белковых ландшафтов растений, выращенных в условиях стресса или с генетическими мутациями.
«Мы хотим лучше понять молекулярные механизмы, которые ими управляют, — сказал он. — Это отправная точка».
Источник: Washington State University. Автор: Сет Траскотт.
На заглавном фото Хельмут Кирхгофф, профессор Института биологической химии Университета штата Вашингтон, держит поднос с растениями внутри автоматизированной камеры для фенотипирования в своей лаборатории. Новое исследование Кирхгоффа и группы американских и зарубежных коллег выявило структуру молекулярных ландшафтов, ответственных за фотосинтез в листьях растений. Автор фото: Сет Траскотт, WSU CAHNRS.
