Ученые обнаружили «квантовый переключатель», регулирующий фотосинтез

Фотосинтез - процесс, в ходе которого растения превращают углекислый газ в органические соединения с помощью солнечного света, - является одним из основополагающих процессов для жизни на Земле. Ученые давно увлекаются сложными механизмами фотосинтеза, а недавние исследования в области биоинженерии показали, что понимание этих механизмов и манипулирование ими может привести к значительному повышению урожайности.

Одним из ключевых участников фотосинтеза является светоулавливающий комплекс II (LHCII), состоящий из молекул пигментов, прикрепленных к белкам. LHCII играет важнейшую роль в улавливании и передаче световой энергии в реакционный центр растения. Однако под воздействием интенсивного света он также способен рассеивать избыточную энергию в виде тепла в результате процесса, называемого нефотохимическим тушением (NPQ).

Ученые обнаружили, что ускорение переключения между светоулавливающим и энергогасящим состояниями в LHCII может значительно повысить эффективность фотосинтеза. Так, урожайность сои, подвергшейся подобной манипуляции, увеличилась на 33 %. Однако до сих пор точные структурные изменения на атомном уровне, которые запускают эту регуляцию, оставались загадкой.

В новом революционном исследовании ученые из Института физики Китайской академии наук и Лаборатории Шэньчжэньского залива пролили свет на эту загадку. Под руководством профессора Вэн Юйсяна и профессора Гао Цзяли команда использовала комбинацию одночастичной криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) и многостадийных расчетов теории функционала плотности (MSDFT) для изучения динамических структур LHCII с атомным разрешением.

Проанализировав серию крио-ЭМ структур, включая структуры LHCII в растворе и LHCII, заключенного в мембранные нанодиски при различных условиях, исследователи смогли наблюдать конформационное изменение LHCII при подкислении. Это изменение изменяет расстояние между определенными молекулами пигментов, что приводит к тушению возбужденного хлорофилла специфическим пигментом лютеином. Это конформационное изменение, вызванное кислотой, усиливает тушение флуоресценции, внося дополнительный вклад в регулирование эффективности фотосинтеза.

Исследование также показало, что для возникновения нефотохимического тушения LHCII должен быть ограничен боковым давлением, например, в агрегированной форме. Этот вывод дает ценное представление об условиях, необходимых для манипулирования LHCII и оптимизации эффективности фотосинтеза.

Профессор Вэн Юйсян объясняет значение полученных результатов: "Наше исследование не только раскрывает молекулярный механизм квантового переключателя в LHCII, но и создает теоретическую основу для повышения эффективности фотосинтеза в сельскохозяйственных культурах. Это может иметь далеко идущие последствия для решения проблем глобальной продовольственной безопасности и устойчивости".

Открытие механизма квантового переключения в фотосинтезе открывает захватывающие возможности для биоинженерии и улучшения сельскохозяйственных культур. Понимая и манипулируя сложными процессами, происходящими внутри растений, ученые могут разработать новые стратегии для повышения урожайности и смягчения последствий изменения климата для сельского хозяйства.