Биологи «взломали» систему защиты цианобактерий
О любопытной работе рассказал недавно журнал Nature Communications. Молекулярные биологи разобрались с тем, как цианобактерии защищаются от слишком яркого света, и сумели «взломать» эту защиту. Благодаря этому они научились ускорять процесс фотосинтеза в клетках и прирост биомассы. Это открытие должно найти своё применение в хозяйстве, а также в медицине и других областях.
Начать стоит с того, что в составе клетки имеются особые белки – ОСР и родственные ему. Они выполняют массу полезной работы, в том числе превращение энергии квантов света в тепло. Учёные уже умеют по поведению этих белков определять некоторые параметры, такие как температура, на микроскопическом и даже наноразмерном уровне.
Фотосинтез – замечательное эволюционное приобретение растений и цианобактерий, которого другие группы организмов, увы, лишены. Он состоит в том, что организмы захватывают фотоны и используют их энергию для построения необходимых молекул. Однако у этого процесса есть одна особенность: цианобактерии и растения используют лишь незначительное количество поступающего солнечного света – не более двух процентов. Для самих растений этого достаточно, а вот запросы человечества растут – ему нужно всё больше продовольствия и «зелёных» источников энергии. Поэтому нынешние учёные заинтересованы в том, чтобы повысить эффективность растительного фотосинтеза.
Растения и бактерии выработали средства для защиты от излучения, которое кажется им слишком ярким. Энергию поступающих «лишних» фотонов они научились превращать в тепло, свет при этом рассеивается. Это оберегает их от ожогов и слишком интенсивного испарения воды. Когда жара становится меньше, растения возвращаются в нормальный режим фотосинтеза не сразу. А это существенно понижает «коэффициент полезного действия» клеток. Нередко это понижение весьма существенно – в средней полосе России и США растения «работают» на целых тридцать процентов медленнее, чем они могли бы это делать без своей защитной системы.
Попытки «взломать» эту систему производились уже несколько раз. Задача здесь состоит в том, чтобы заставить растения расти и развиваться быстрее, не уничтожая в то же время себя. Недавно в США специалисты уже добились некоторых положительных результатов в этом направлении: они получили генно-модифицированный табак, который растёт на четверть быстрее, нежели обычный.
Российские и немецкие биологи решили использовать для экспериментов не растения, а цианобактерии, которые отличаются более быстрым ростом и развитием. Именно эти микроорганизмы будут играть ключевую роль в колонизации других планет, прежде всего Марса, ведь они станут основным источником пищи и топлива.
Клетки цианобактерий используют в качестве защитного механизма два белка. Первый – это уже упоминавшийся ОСР, который поглощает световые кванты и превращает их в тепло, мешая молекулам хлорофилла взаимодействовать с ними. Когда чрезмерное освещение исчезает, белок ОСР переходит в своё обычное состояние и снова запускает процесс фотосинтеза. А другой белок – FRP – помогает ему в этом, ускоряя его переход в нормальное состояние. Получаются своеобразные «газ» и «тормоз». Однако до настоящего времени не было ясно, как именно взаимодействуют друг с другом эти два белка.
Эту загадку разгадали биологи из МГУ. Они наблюдали за поведением этих белков, выделенных из цианобактерий, при этом среда нагревалась до высоких и низких температур и подсвечивалась дополнительными источниками света. Выяснилось, что белок FRP склонен распадаться под действием сильного излучения на части, которые не могут прикрепляться к ОСР. Учёные вывели мутантную форму FRP, не способную распадаться и сохраняющую способность прикрепляться к ОСР в любых условиях. Рост цианобактерий при этом заметно ускорился.
В настоящее время с помощью климатических камер с фитотронной системой исследования продолжаются. Учёные пытаются приспособить своё открытие к новым возможностям. С его помощью, например, можно будет наблюдать за процессами, протекающими внутри клеток растений, животных и человека.
Данная работа была частью международного проекта. Поэтому и финансирование ей было обеспечено серьёзное – его организовали Российский научный фонд и Немецкое научно-исследовательское сообщество.
