Итальянские ученые создали в исскуственной клетке фотосинтетический аппарат. Реакционные центры правильно ориентированы в мембране гигантских везикул и способны эффективно создавать протонный градиент. Статья с описанием системы опубликована в Biophysics and Computational Biology.

Фотосинтезом называется реакция, в ходе которой энергия света преобразуется в энергию химических связей. Это позволяет, например, растениям с помощью квантов света превращать углекислый газ и воду в органические соединения и кислород. Так растения питаются, и за счет этого процесса выживает огромное количество других организмов на Земле: во-первых, они поедают эти «живые кристаллы», создающие сами себя из света и воздуха, а во-вторых, они дышат кислородом, который растения производят. Фотосинтетический аппарат у растений находится в мембранах специальных органелл — хлоропластов. В процессе работы хлоропластов создается поток протонов через мембрану, и возникает протонный градиент, благодаря которому клетки запасают энергию, синтезируя высокоэнергетические молекулы АТФ. Некоторые бактерии тоже способны к фотосинтезу. Фотосинтетический аппарат у них расположен в цитоплазматических мембранах, и протонный градиент создается между цитоплазмой и наружной средой.

Исследователи работали с фотосинтетическим аппаратом пурпурных бактерий. Большинство из таких бактерий анаэробны, и фотосинтез у них бескислородный — вместо кислорода при завершении реакции образуется, например, сера. Реакционный центр (РЦ) в их фотосинтетическом аппарате устроен таким образом, что при поглощении кванта света восстанавливается одна молекула хинона, для чего требуются два протона из цитоплазмы. Образующийся в результате протонный градиент позволяет им синтезировать АТФ.

Конфокальная микроскопия реакционных центров (окрашены красным) в протоклетках (внутренняя полость содержит зеленый краситель кальцеин). Emiliano Altamura et al., PNAS, 2017

Для создания искусственной системы ученые использовали только основной трансмембранный белок реакционного центра бактерии Rhodobacter sphaeroides, без вспомогательных молекул. Этот белок состоит из двух высокогидрофобных субъединиц и одной гидрофильной. Упрощенный реакционный центр встраивали в различные липидные мембраны, в том числе в плоские билипидные слои. Одной из существенных проблем подобных экспериментов является ориентация белков в мембранах: при встраивании они часто оказываются ориентированы в разные стороны, и поэтому правильного протонного градиента создать не могут. В новой работе ученым удалось создать настоящую протоклетку — гигантскую липидную везикулу — со встроенными в мембрану РЦ, девяносто процентов из которых ориентированы в нужную сторону.

Принцип сборки мицеллы с селективной ориентацией реакционных центров. Emiliano Altamura et al., PNAS, 2017

Для получения гиганстких везикул был применен метод переноса капель. Вначале белок выделили из бактериальной мембраны, растворили в воде и получили гомогенную мицеллярную субстанцию. Она содержала полностью активные реакционные центры, окруженные и защищенные от воды молекулами детергента. Затем ее эмульгировали в смеси жиров фосфатидилхолина и фосфатидилглицерина и поместили на поверхность воды, создав двухфазную систему, которую затем центрифугировали и получили гигантские липидные везикулы со встроенными в них РЦ. Гидрофобные взаимодействия при контакте с липидно-водной эмульсией заставляли реакционные центры разворачиваться в одну и ту же сторону, поскольку гидрофильная субъединица белка стремилась к воде, а гидрофобные стремились отдалиться от нее и попадали, таким образом, внутрь липидного бислоя. Полученные везикулы имели диаметр около 20 мкм, были стабильными и обладали достаточно высокой плотностью белков — они содержали ~1 реакционный центр на 2200 молекул липидов, что составляет примерно треть от соответствующей плотности в мембранах фотосинтетических бактерий.

Дальнейший анализ показал, что фотосинтетические белки в таких везикулах активны. Для того, чтобы убедиться в этом, везикулы освещали короткими вспышками света и измеряли скорость реакции рекомбинации. Кроме того, добавление в раствор водорастворимого цитохрома в качестве электронного донора показало, что 90 процентов реакционных центров действительно ориентированы в сторону внешней среды — сигнал, свидетельствующий о рекомбинации, практически пропадал, поскольку цитохром эффективно окислялся, чего бы не происходило, будь они ориентированы в другую сторону. После этого в раствор добавляли аналог убихинона — децилубихинон, который при возобновлении вспышек начинал работать в качестве акцептора электрона, превращаясь в децилгидроубихинон за счет доноров электронов — цитохромов. Со временем рекомбинация вновь появлялась, поскольку доноры электронов заканчивались. В дальнейшем удалось измерить и скорость перемещения протонов через мембрану: она составила приблизительно один протон в минуту на каждый реакционный центр. Эффективность работы зависит, по-видимому, от ряда физических факторов, в том числе от размера везикул и состава липидной мембраны.

Раньше мы уже рассказывали, как создавался бионический лист, также способный имитировать фотосинтез, но с помощью работы живых бактерий. В этом же проекте разработанный метод позволит расширить работу с искуственнными везикулами, полагают ученые. Следующая задача — встраивать в них и другие белковые комплексы в правильной ориентации, в том числе АТФ-синтазу, которую ранее получалось обращать только во внешнюю среду, а не внутрь везикулы, как нужно. Совместная работа РЦ и АТФ-синтазы позволит везикулам запасать энергию света в связях молекул АТФ, что приближает исследователей к конструированию энергетически автономных искуственных клеток.

Автор: Анна Казнадзей