ScienceDaily (5 мая 2009) — международная команда ученых определила структуру молекул хлорофилла в зеленых бактериях, которые являются ответственными за легкий сбор энергии. Результаты исследования могут использоваться, чтобы создать искусственные системы фотосинтеза для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.
Ученые нашли, что хлорофиллы очень эффективны для выработки энергии. "Мы нашли, что ориентация молекул хлорофилла делает зеленые бактерии чрезвычайно эффективными для преобразования света," говорит Дональд Брьянт, Профессор биотехнологии в Пенн-Стейт, один из лидеров команды. Согласно Брьянт, зеленые бактерии - группа организмов, которые вообще живут в чрезвычайно окружающей среде, например, в лишенных света областях Хот-Спрингса и на глубине 100 метров в Черном море. Бактерии содержат структуры, названные хлоросомами, которые содержат до 250 000 хлорофиллов. "Способность легко захватывать энергию и быстро поставлять туда, куда нужно, существенна для этих бактерий, некоторые из которых видят только несколько фотонов света в день."
Хлоросомы (chlorosomes) в зеленых бактериях - последний класс собирающих свет комплексов, который будет характеризован структурно учеными. Ученые исследовали молекулярные структуры, используя рентгеновскую технику, которая определяет ориентацию атомов в молекуле и в конечном счете дает информацию, которая может использоваться, чтобы создать картину молекулы; однако, рентген не может использоваться, чтобы характеризовать хлоросомы в зеленых бактериях, потому что техника только работает для молекул, которые являются однородными по размеру, форме, и структуре. "Каждая хлоросома в зеленой бактерии имеет уникальную организацию," говорит Брьянт. " Они походят на начинку колбасы. Когда Вы берете поперечные сечения колбасы с одной начиинкой, Вы видите различные образцы мяса и жира; никакие две колбасы не подобны в размере или содержании, хотя существует некоторая структура внутри. Хлоросомы в зеленых бактериях походят на начинку колбасы, а изменчивость в их составе препятствовала ученым использовать рентген, чтобы характеризовать внутреннюю структуру. "
Чтобы обойти эту проблему, команда использовала комбинацию методов, чтобы изучить хлоросомы. Она использовали генетические методы, чтобы создать бактерию мутанта с более регулярной внутренней структурой, криоэлектронную микроскопии, чтобы идентифицировать большие ограничения расстояния для хлоросомc, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), чтобы определить структуру составляющих молекул хлорофилла - хлоросом, и модели хлоросом.
Сначала, команда создала бактерию- мутант, чтобы определить, почему молекулы хлорофилла в зеленых бактериях стали все более и более сложными за эволюционное время. Чтобы создавать мутант, они активировали три гена, которые зеленые бактерии приобретали поздно в их развитии. Команда подозревала, что гены были ответственны чтобы улучшить собирающие свет способности бактерий. "По существу, мы пошли назад в эволюции в промежуточное состояние, чтобы понять, частично, почему зеленые бактерии приобретали эти гены," говорит Брьянт. Команда нашла, что более развитыми, бактерии дикого типа становятся быстрее при интенсивном свете, чем форма мутанта. "Действительно, причина, что хлорофиллы стали более сложными, состояла в том, чтобы увеличить световую эффективность," сказал Брьянт.
Затем, команда изолировала хлоросомы от мутанта и форм дикого типа бактерий и использовала криоэлектронную микроскопию - тип электронной микроскопии, которая выполнена в суперхолодных криогенных температурах - чтобы увидеть хлоросомы. Фото показало, что молекулы хлорофилла внутри хлоросом имеют форму нанотрубок. "Они походят на матрешки, с одной концентрической трубой, вложенной в следующую," говорит Брьянт. "Хлоросомы бактерии мутанта содержат только один набор трубок, тогда как дикий тип хлоросом содержит много трубок, каждый устроенный по уникальному образце, как те приправа в колбасе."
Команда тогда пошла шаг далее и использовала спектроскопию ЯМР - технику, в которой образцы прядут очень быстро и выставляется магнитному полю - чтобы смотреть глубоко в хлоросомы. Эта техника позволяет исследователям понять отношения между атомными ядрами в образце и, в конечном счете, приобрести информацию о структуре молекул.
"Данные ЯМР показали к нам, что индивидуальные молекулы хлорофилла в зеленых бактериях построены из димерных молекул, состоящие из двух идентичных более простых молекул," говорит Брьянт. " Мы также узнали точно, как молекулы хлорофилла подобны друг другу, и мы были в состоянии измерить расстояние между молекулами хлорофилла. Фотографии криоэлектронной микроскопии показали структурные детали и расстояния, а результаты ЯМР позволили нам определять эти расстояния , и подтвердить нам, что, что у молекулы хлорофилла все выстроенно в линию," он сказал. Результаты ЯМР также позволили ученым решить, что молекулы хлорофилла в зеленых бактериях устроены как винтовые спирали. В бактериях мутанта, молекулы хлорофилла помещены под почти углом с 90 степенями относительно длинной оси нанотрубок, тогда как угол менее крут для дикого типа бактерии. " Ориентация молекул хлорофилла является самой важной вещью в этом исследовании," говорит Брьянт. Последние шаги для команды должны были сложить все их данные и создавать детальную компьютерную модель структуры.
"Сначала кажется противообладающим интуицией, что зеленые бактерии сумели развить лучшую собирающую свет систему, увеличивая беспорядок в структуре хлоросома," сказал Брьянт. " Большинство людей думает, что, если Вы делаете кое-что, что более высоко ценится, Вы закончите работу быстрее. Но этот случай, где это правило не верно. Если все хлорофиллы тождественно устроены в хлоросоме, то энергия от фотона, как только это поглощено, собирается блуждать по по всем тем хлорофиллам, которые могли отнять много времени. В форме дикого типа, Вы имеете эти различные области, где молекулы хлорофилла расположены и, поэтому, способность энергии фотона мигрировать становится ограниченной. Другими словами, энергия в индивидуальном фотоне посещает меньшее число хлорофиллов, и это - преимущество для организма, потому что энергия может добраться туда, где это должно пойти быстрее. Скорость - название игры, которую зеленые бактерии играют со светом. Организмы имеют только несколько наносекунд для энергии стать где-нибудь полезными, или иначе энергия будет потеряна. Требуемая скорость может быть проблемой для бактерий, которые получают только несколько фотонов света в хлорофилл в день. "
Брьянт сказал, что результаты команды могут использоваться, чтобы создать искусственные системы фотосинтеза, которые преобразовывают солнечную энергию в электричество. "Взаимодействия, которые приводят к собранию хлорофиллов в хлоросомы, довольно просты, таким образом они - хорошие модели для искусственных систем," сказал он. "Вы можете сделать структуры из этих хлорофиллов в решении только при наличии правильных условий решения. Фактически, люди сделали это много лет; однако, они действительно не понимали биологические правила для того, чтобы строить большие структуры. Я не буду говорить, что мы полностью понимаем правила все же, но по крайней мере мы знаем то, каким две из структур являются теперь и как они касаются биологической системы в целом, которая является огромным прогрессом."
Команда также включает исследователей Лейденского института химии, Института биотехнологии в Нидерландах, Института Макса Планка в Германии. Это исследование было поддержано Министерством энергетики Соединенных Штатов.
|
