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).

Похожие новости

  • 26/07/2018

    Антитела из полимеров позволят эффективно уничтожать раковые клетки

    ​Международная группа исследователей под руководством Николая Барлева, заведующего Лабораторией клеточного сигналинга МФТИ, показала принципиальную возможность создания нового класса противоопухолевых препаратов на основе nanoMIP - «пластиковых антител».
    233
  • 01/08/2018

    Интерфероны запускают раннее самоубийство клеток в ответ на инфекцию

    ​Российские ученые совместно с зарубежными коллегами обнаружили, что еще до активации иммунного ответа организма на инфекцию зараженные клетки начинают бороться с ее распространением. Это происходит благодаря белкам-интерферонам, которые синтезируются во всех клетках организма.
    175
  • 28/05/2018

    Нейросеть помогла российским ученым определить оптимальные условия хранения микроорганизмов

    ​Российские ученые с помощью нейросети определили самые оптимальные условия для длительного хранения микроорганизмов, выживающих при экстремально высокой солености. Статья об этом опубликована в журнале Extremophiles.
    235
  • 16/05/2018

    Российские биохимики нашли новые ферменты с необычной активностью

    ​Российские ученые охарактеризовали новые ферменты-трансаминазы, которые могут работать как в типичных для своего семейства реакциях, так и в нехарактерных для него. Результаты работы будут полезны в фундаментальном аспекте для поиска и предсказания свойств ферментов по их аминокислотной последовательности и для использования в биотехнологических процессах.
    349
  • 20/04/2018

    Ученые обнаружили неожиданные функции белка, ответственного за программируемую гибель клеток

    Продолжая исследовать необычные роли белка каспаза-2, одного из важнейших участников апоптоза (программируемой клеточной гибели), биологи обнаружили еще один белок, с которым он может взаимодействовать.
    417
  • 08/06/2018

    Ученые избавили клетки от «кислородного стресса»

    Российские ученые совместно с британскими коллегами предложили технологию, позволяющую анализировать живые ткани и клетки под микроскопом. Метод позволит проводить экспресс-анализ токсичности магнитных наночастиц размером около 10 нанометров, которые применяются для создания противоопухолевых препаратов.
    326
  • 29/10/2018

    Биологи из России научились предсказывать нашествия вредителей

    ​Российские ученые выяснили, как можно "прочитать" историю борьбы отдельных растений с вредителями и предсказать будущие атаки насекомых, анализируя структуру их древесины. Их выводы были представлены в журнале Dendrochronologia.
    73
  • 02/08/2018

    Московские ученые предложили новый метод таргетированной терапии рака

    ​Сотрудники факультета фундаментальной медицины МГУ имени М.В. Ломоносова детально изучили связь между действием белка p53, метастазированием опухолей и «самоубийством» клетки. Они обсудили возможные подходы к прогнозированию развития метастазов и подбору лечения, а также предложили соединения, способные подавлять метастазирование.
    246
  • 11/12/2017

    Ученые нашли гены, защищающие от болезней иммунной системы

    ​Ученые из Эндокринологического научного центра Минздрава России (НМИЦ эндокринологии) исследовали генетическую предрасположенность россиян к развитию тяжелых аутоиммунных заболеваний, поражающих железы внутренней секреции, и разработали комплекс мер по раннему выявлению новых заболеваний.
    242
  • 29/12/2017

    Ученые разработали алгоритм для ДНК-оригами

    Международный коллектив российских и американских ученых предложил алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
    541