Биологи попали в основание молекулярной светособирающей «антенны» квантами с низкой энергией для изучения фотозащитных механизмов

Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН использовали необычный вариант флуоресцентной спектроскопии для описания особенностей молекулярного взаимодействия между фикобилисомой — сложным белковым комплексом, улавливающим свет в клетках цианобактерий и красных водорослей, — и оранжевым каротиноидным белком, защищающим фотосинтетический аппарат от интенсивного солнечного излучения. Каротиноидный белок, изменяя свою конформацию, препятствует передаче энергии от фикобилисомы на хлорофилл фотосистем. Изучение этой реакции является сложной задачей из-за многоступенчатого переноса энергии между сотнями пигментов антенны. Оказалось, что этот процесс можно значительно упростить, используя инфракрасные лазеры. Результаты исследования опубликованы в журнале BBA Bioenergetics. Исследование выполнено в рамках проекта федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и поддержана национальным проектом «Наука и университеты».

Цианобактерии и красные водоросли имеют особые белковые «антенны» — фикобилисомы, — которые помогают улавливать свет и передавать его энергию на молекулы хлорофилла для фотосинтеза. При этом важно, чтобы на хлорофилл попадало определенное количество излучения — с одной стороны, его должно быть достаточно для поддержания оптимальной скорости синтетических реакций, а с другой — не слишком много, чтобы не повредить фотосинтетический аппарат. Поэтому существует система защиты от избыточного света, которая у цианобактерий представлена оранжевым каротиноидным белком. Он подавляет возбуждение фикобилисом при избыточном освещении, тем самым препятствуя передаче энергии в фотосинтетический аппарат. Однако подробности взаимодействия фикобилисомы и оранжевого каротиноидного белка остаются плохо изученными.

Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН исследовали явление антистоксовой флуоресценции — одного из видов излучения фикобилисомы при действии на нее квантов с низкой энергией. Анализируя особенности сигналов флуоресценции, например формы спектра и длительности возбужденного состояния, можно подробнее охарактеризовать принцип работы фикобилисомы и ее взаимодействие с оранжевым каротиноидным белком.

Сначала авторы выделили в чистом виде оранжевый каротиноидный белок и фикобилисомы цианобактерий Synechocystis sp. Затем комплекс из этих молекул осветили желто-зеленым светом (570 нанометров) и наблюдали за тем, как происходит испускание собственного излучения. Оказалось, что при таком облучении спектр флуоресценции (излучения) фикобилисомы постепенно смещался в красную область, что говорит о том, что энергия передавалась с периферических элементов белковой «антенны» на ее центральные элементы, а именно белок аллофикоцианин.

Когда на комплекс фикобилисомы и оранжевого каротиноидного белка подавали свет инфракрасного диапазона (770 нанометров), энергия от периферических элементов к ядру фикобилисомы вовсе прекратила поступать. Авторы предположили, что излучение в таком случае улавливает только аллофикоцианиновое ядро, после чего оно «гасится», поступая на оранжевый каротиноидный белок.

«Мы предполагаем, что наблюдаемые особенности спектров флуоресценции могут быть связаны с тем, как оранжевый каротиноидный белок меняет конформацию активных центров фикобилисомы. В данной работе нам удалось показать, что по мгновенным спектрам антистоксовой флуоресценции можно оценивать состояние фикобилисомы и подробно изучать механизм ее работы‎», — рассказывает Евгений Максимов, доктор биологических наук, старший научный сотрудник группы «Белок-белковые взаимодействия‎» ФИЦ Биотехнологии РАН.