Тайны фотосинтеза были открыты на атомном уровне, проливая новый важный свет на эту сверхсилу растений, которая озеленила Землю более миллиарда лет назад. Исследователи Центра Джона Иннеса использовали передовой метод микроскопии под названием крио-ЭМ, чтобы изучить, как производятся фотосинтетические белки (видео можно посмотреть ниже).
Исследование, опубликованное в журнале Cell, представляет модель и ресурсы для стимулирования дальнейших фундаментальных открытий в этой области и содействия долгосрочным целям по созданию более устойчивых сельскохозяйственных культур.
«Транскрипция генов хлоропластов является фундаментальным шагом в создании фотосинтетических белков, которые обеспечивают растения энергией, необходимой им для роста. Мы надеемся, что, лучше понимая этот процесс… на детальном молекулярном уровне — мы вооружим исследователей, стремящихся создать растения с более мощной фотосинтетической активностью», - сказал соавтор исследования Майкл Вебстер. «Самым важным результатом этой работы является создание полезного ресурса. Исследователи могут загрузить нашу атомную модель полимеразы хлоропластов и использовать ее для создания собственных гипотез о том, как она может функционировать, и экспериментальных стратегий, которые могли бы их проверить».
Фотосинтез происходит внутри хлоропластов, небольших отсеков внутри растительных клеток, содержащих собственный геном, что отражает их прошлое в качестве свободноживущих фотосинтезирующих бактерий до того, как они были поглощены и поглощены растениями.
Группа Вебстера в Центре Джона Иннеса исследует, как растения производят фотосинтетические белки, молекулярные машины, которые осуществляют эту элегантную химическую реакцию, превращая атмосферный углекислый газ и воду в простые сахара и производя кислород в качестве побочного продукта. Первым этапом производства белка является транскрипция, при которой ген считывается для производства «информационной РНК». Этот процесс транскрипции осуществляется ферментом, называемым РНК-полимеразой.
50 лет назад было обнаружено, что хлоропласты содержат собственную уникальную РНК-полимеразу. С тех пор ученые были удивлены тем, насколько сложен этот фермент. Он имеет больше субъединиц, чем его предок, бактериальная РНК-полимераза, и даже больше, чем человеческие РНК-полимеразы.
Группа Вебстера хотела понять, почему хлоропласты имеют такую сложную РНК-полимеразу. Для этого им нужно было визуализировать структурную архитектуру РНК-полимеразы хлоропластов.
Исследовательская группа использовала метод криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ) для получения изображений образцов хлоропластной РНК-полимеразы, очищенной из растений белой горчицы. Обработав эти изображения, они смогли построить модель, содержащую позиции более 50 000 атомов молекулярного комплекса.
Комплекс РНК-полимеразы состоит из 21 субъединицы, закодированной в двух геномах: ядерном и хлоропластном. Тщательный анализ этой структуры во время транскрипции позволил исследователям приступить к объяснению функций этих компонентов.
Модель позволила им идентифицировать белок, который взаимодействует с ДНК во время ее транскрипции и направляет ее к активному сайту фермента. Другой компонент может взаимодействовать с вырабатываемой мРНК, что, вероятно, защищает ее от белков, которые могут ее разрушить, прежде чем она будет транслирована в белок.
Доктор Вебстер сказал: «Мы знаем, что каждый компонент РНК-полимеразы хлоропластов играет жизненно важную роль, потому что растения, у которых отсутствует какой-либо из них, не могут производить фотосинтетические белки и, следовательно, не могут стать зелеными. Мы тщательно изучаем атомные модели, чтобы точно определить, какова роль для каждого из 21 компонента сборки».
Первый соавтор исследования Анхель Вергара-Крусес сказал: «Теперь, когда у нас есть структурная модель, следующим шагом будет подтверждение роли транскрипционных белков хлоропластов. Раскрывая механизмы транскрипции хлоропластов, наше исследование дает представление о ее роли в росте растений, а также адаптация и реагирование на условия окружающей среды».
«В этом замечательном рабочем путешествии было много удивительных моментов, начиная с очень сложной очистки белка и заканчивая получением потрясающих крио-ЭМ изображений этого огромного сложного белка и, наконец, увидеть нашу работу в печатной версии», - добавил соавтор исследования Ишика Праманик.
«Жара, засуха и засоленность ограничивают способность растений осуществлять фотосинтез. Растения, которые могут надежно производить фотосинтетические белки в условиях стресса окружающей среды, могут по-разному контролировать транскрипцию хлоропластов. Мы с нетерпением ждем возможности увидеть, как наша работа будет использована в важные усилия по созданию более устойчивых культур», - заключил Вебстер.
