Молекулярные биологи из России и Германии узнали, как цианобактерии защищаются от излишне яркого света, и научились обходить эту «систему безопасности», повысив скорость работы фотосинтеза и набора биомассы. Их выводы и возможные варианты применения «взломанных» белков были представлены в журнале Nature Communications.

«Белок ОСР и его «кузены» являются уникальными модульными конструкциями, способными выполнять различные функции в клетке — от переноса гидрофобных молекул аниоксидантов и до превращения энергии квантов света в тепло. К примеру, мы уже выяснили, как можно определять температуру на уровне микро- и наноразмерных объектов при помощи этого белка», — рассказал ведущий научный сотрудник кафедры биофизики биологического факультета МГУ Евгений Максимов.

Зеленая революция

За миллионы лет эволюции растения и цианобактерии научились захватывать фотоны солнечного света и использовать их энергию для сборки молекул питательных веществ. С одной стороны, этот процесс очень эффективен с точки зрения химии, а с другой — растения используют лишь 1–2% от общей энергии излучения Солнца. Учитывая нарастающий продовольственный кризис и нужду в «зеленых» источниках топлива, ученые в последние годы неоднократно пытались «улучшить» КПД растений.

Одним из главных ограничителей в эффективности фотосинтеза являются сами растения или микробы — когда они считают, что свет Солнца является чрезмерно ярким, их листья и клетки начинают рассеивать свет, превращая его в тепло, тем самым защищая себя от ожогов и чрезмерно сильного испарения воды.

Когда жара спадает, они возвращаются в нормальное состояние далеко не сразу, что заметно понижает эффективность фотосинтеза. В целом, как показывают расчеты ученых, этот «безопасный режим» снижает максимальную эффективность растений, растущих в средней полосе США или России, на 25–30%.

Как отмечает Максимов, ученые достаточно давно пытаются «взломать» эту систему защиты от перегрева и поменять ее работу таким образом, чтобы растение одновременно не убивало себя, и чтобы его урожайность стала намного более высокой. Некоторые успехи уже были достигнуты в этом направлении — год назад генетики из США создали ГМО-табак, растущий на четверть быстрее обычного.

Российские генетики и их коллеги из Германии попытались осуществить аналогичные изменения в клетках цианобактерий, набирающих биомассу значительно быстрее, чем растения, и считающихся сегодня одними из главных кандидатов на роль «колонизаторов» Марса и источников пищи и кислорода для путешествий в дальний космос.

Белковый тормоз и газ

Клетки этих микробов содержат в себе два белка, управляющих скоростью фотосинтеза — OCP и FRP. Первый играет роль «тормоза» — он поглощает частицы света и меняет свою структуру, мешая молекулам хлорофилла и другим компонентам фотосинтезирующих систем взаимодействовать со светом. Когда уровень освещения падает, молекулы OCP постепенно возвращаются в исходное состояние и скорость фотосинтеза начинает расти.

В свою очередь, FRP играет роль своеобразной газовой педали — он взаимодействует с молекулами OCP и ускоряет их переход в исходное состояние. Как это происходит и что именно меняет FRP, ученые не знали до настоящего времени. Максимов и его коллеги проследили за взаимодействиями «активированной» формы OCP и различных версий FRP, выделенных из клеток нескольких видов цианобактерий, нагревая их до высоких или низких температур и подсвечивая их большими или малыми порциями света.

Выяснив, как именно соединяются эти белки, ученые создали несколько мутантных версий FRP, «запретив» его молекулам распадаться на половины, не способные нормально прикрепляться и взаимодействовать с OCP. Подобные версии FRP, по словам Максимова и его коллег, значительно ускорили работу фотосинтетических систем микроба и заставили их быстрее расти.

Дальнейшая оптимизация структуры FRP не только повысит скорость набора биомассы, но и позволит использовать фотосинтезирующих микробов и их белки для множества других целей, в том числе наблюдений за различными процессами внутри клеток человека и других млекопитающих.

Работа выполнена в рамках международного проекта, подержанного Российским Научным Фондом (РНФ, грант № 18–44–04002) совместно с Немецким научно-исследовательским сообществом (DFG).