Открыт новый тип фотосинтеза

14 июня 2018



Оно также научит нас пониманию иных типов жизни, и поможет создать высокоэффективные культуры клеток, которые используют длинноволновой свет. Открытие, опубликованное 14 июня 2018 г. в «Science», было сделано группой ученых Имперского колледжа Лондона при поддержке BBSRC (Biological Sciences Research Council — Совет по биологическим исследованиям Великобритании), при участии групп из Австралийского национального университета в Канберре, CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique — Национальный центр научных исследований) в Париже, Saclay (Университет Париж-Сакле) и Миланского университета.

Колония клеток типа Chroococcidiopsis, где разные цвета представляют собой фотосинтез, обусловленный хлорофиллом a (пурпурный цвет) или хлорофиллом f (желтый цвет).

Подавляющее большинство живого на Земле использует видимый красный свет в процессе фотосинтеза, но недавно открыт новый тип фотосинтеза, при котором используется ближний инфракрасный свет. Данный тип фотосинтеза был обнаружен у широкого диапазона цианобактерий (сине-зеленых водорослей), когда они растут в ближнем инфракрасном свете и в затененных условиях, таких как бактериальные маты в горячих источниках национального парка США Йеллоустоун (бактериальные маты — это биоценозы, состоящие из прокариот, которые располагаются на дне водоёмов, обычно горячих источников, а также в их прибрежной зоне) или бактерии в пляжных камнях в Австралии. Как выяснили ученые, такой фотосинтез могут обеспечить и лабораторные шкафы (медицинские) с инфракрасными светодиодами в Имперском колледже Лондона.

Стандартный, почти универсальный тип фотосинтеза использует зеленый пигмент, хлорофилл a, как для сбора света, так и для использования его энергии для создания полезных биохимических веществ и кислорода. То, как хлорофилл a поглощает свет, означает, что для фотосинтеза может использоваться только энергия красного света.

Поскольку хлорофилл a присутствует во всех растениях, водорослях и цианобактериях, о которых мы знаем, считалось, что энергия красного света устанавливает «красный предел» для фотосинтеза — минимальное количество энергии, необходимое для выполнения сложных химических реакций, в результате которых производится кислород. Красный предел используется в астробиологии, чтобы судить о возможности возникновения и развития сложной жизни на планетах в других солнечных системах.

Однако когда некоторые цианобактерии выращиваются при ближнем инфракрасном свете, стандартные системы, содержащие хлорофилл a, закрываются, и вступают в силу системы, содержащие другой вид хлорофилла — хлорофилл f. До недавних пор считалось, что хлорофилл f просто собирает свет. Новое исследование показывает, что на самом деле хлорофилл f играет ключевую роль в фотосинтезе в затененных условиях, он использует инфракрасный свет с более низкой энергией для выполнения всего комплекса химических реакций. Это, так называемый, фотосинтез «за красным пределом».
Ведущий исследователь профессор Билл Резерфорд из Департамента наук о живой природе Имперского колледжа сказал: «Новая форма фотосинтеза заставила нас переосмыслить наши потенциальные возможности. Оно также изменяет наше понимание ключевых событий, лежащих в основе стандартного фотосинтеза. Эта вещь изменит учебники».

Уже давно известна одна цианобактерия, Acaryochloris marina (вид симбиотических цианобактерий порядка Synechococcales, использующий для фотосинтеза хлорофилл d), которая проводит фотосинтез за красным пределом. Однако, поскольку это наблюдалось только на одном виде с очень специфической средой обитания, этот факт считался единичным и не имеющим особого значения. Acaryochloris живет под зелеными асцидиями, которые затеняют большую часть видимого света, оставляя только ближнюю инфракрасную область. Представленный учеными новый вид фотосинтеза, который проходит на основе хлорофилла представляет собой широко распространенный третий тип фотосинтеза. Тем не менее, он используется только в специальных, насыщенных инфракрасным излучением средах, в нормальных же условиях освещения используется стандартная красная форма фотосинтеза. Считалось, что потеря освещения будет более серьезно ощущаться за границами красного предела, но новое исследование показывает, что это не проблема в стабильных, затененных средах.

Соавтор исследования д-р Андреа Фантуцци из Департамента наук о живой природе Имперского колледжа сказал: «Обнаружение типа фотосинтеза, который работает за границами красного предела, меняет наше понимание энергетических потребностей фотосинтеза. Это раскрывает и механизмы потребления энергии света, и механизмы, защищающие системы от повреждения светом».

Эти знания могут быть полезны для исследователей, пытающихся создавать культуры для более эффективного фотосинтеза, способных использовать более широкий спектр света. Понимание того, как эти цианобактерии защищают себя от повреждений, вызванных изменениями яркости света, могут помочь исследователям найти то, что можно будет перенести на сельскохозяйственные растения.

Новые системы позволяют увидеть больше деталей, чем стандартные системы хлорофилла a. Хлорофиллы, которые часто назывались «вспомогательными» хлорофиллами, фактически выполняют решающий химический шаг, а не являются «специальной парой», второй фотосистемой в центре комплекса, как написано в учебниках про хлорофиллы. Это означает, что данная фотосистема предназначена для других видов фотосинтеза, что может изменить точку зрения ученых на то, как работают доминирующие формы фотосинтеза.

Д-р Деннис Нёрнберг, первый автор и инициатор исследования, сказал: «Я не ожидал, что мой интерес к цианобактериям и к разнообразию их образа жизни приведет к столь серьезным изменениям в понимании фотосинтеза. Удивительно, что в природе все еще существуют удивительные вещи, которые могут быть открыты». Питер Бурлинсон из BBSRC сказал: «Это важное открытие в области фотосинтеза — процессе, который играет решающую роль в биологии сельскохозяйственных культур, которые кормят мир. Такие открытия расширяют границы нашего понимания жизни, профессора Билла Резерфорда и его команду из Императорского колледжа, следует поздравить с открытием новой перспективы столь фундаментального процесса».