Mechanizmy molekularne regulacji fotosyntetycznej funkcji antenowej roślin

Życie na Ziemi zasilane jest niemalże wyłącznie przez energię promieniowania słonecznego, jednakże szereg organizmów, wśród nich człowiek, nie posiada możliwości bezpośredniego wykorzystywania energii słonecznej do napędzania reakcji biochemicznych leżących u podstaw procesów życiowych. Fotosynteza jest procesem, który przetwarza energię świetlną na energię wiązań chemicznych, wprowadzając ją w ten sposób do obiegu w naszej biosferze. Produktem ubocznym konwersji energii w wielu organizmach fotosyntetyzujących, w tym w roślinach, jest tlen cząsteczkowy, wydzielany do atmosfery i wykorzystywany powszechnie do oddychania. Fakty te wskazują na fenomen fotosyntezy oraz wagę tego procesu dla życia na naszej planecie.

Fot. Michał Łepecki Fascynujące są również mechanizmy funkcjonujące w aparacie fotosyntetycznym na poziomie pojedynczych molekuł, zarówno te związane z konwersją energii świetlnej, jak i te o charakterze regulacyjnym, odpowiedzialne za bezpieczny przebieg fotosyntezy. Bezpieczeństwo to ma szczególne znaczenie w warunkach wysokiej intensywności światła, przekraczającej możliwości reakcji fotochemicznych fotosyntezy, uwzględniając wyjątkowo wysokie zagrożenie związane z fotooksydacją struktur wyspecjalizowanych do wydajnego pochłaniania kwantów światła, w miejscu generowania tlenu cząsteczkowego. W ramach projektu prowadzone są prace badawcze mające na celu poznanie szczegółowych mechanizmów związanych z tą właśnie aktywnością regulacyjną. Eksperymenty prowadzone są z zastosowaniem wielu technik spektroskopii molekularnej i obrazowania całych liści, pojedynczych chloroplastów oraz wyizolowanych kompleksów barwnikowo-białkowych. Wśród uzyskanych dotychczas oraz oczekiwanych wyników projektu badawczego są te dotyczące gospodarowania przepływami energii wzbudzenia w aparacie fotosyntetycznym roślin. Jak pokazuje doświadczenie, precyzyjna wiedza w tym zakresie może być wykorzystana do zwiększenia wydajności produkcji biomasy w procesie fotosyntezy, kluczowej w aspekcie pozyskiwania żywności dla dynamicznie rosnącej populacji ludzi współzamieszkujących Ziemię.

Fot. Michał Łepecki W ramach jednej z prac realizowanych w ramach projektu, zademonstrowaliśmy aktywność barwników karotenoidowych, wiolaksantyny i zeaksantyny, w indukowaniu oraz stabilizacji supramolekularnych struktur kompleksów barwnikowo-białkowych zbierających światło (LHCII, Light-harvesting complex of Photosytem II, ang.). Okazało się, że zeaksantyna prowadzi do formowania struktur charakteryzujących się wygaszaniem wzbudzeń chlorofilu, w przeciwieństwie do wiolaksantyny indukującej powstawanie struktur białkowych zapobiegających takiemu rozpraszaniu energii. Fakt, że w aparacie fotosyntetycznym roślin wiolaksantyna, obecna przy niskim poziomie oświetlenia, ulega w warunkach silnego światła konwersji w zeaksantynę, nadaje zaobserwowanemu zjawisku walor mechanizmu regulacyjnego dostosowującego aparat fotosyntetyczny, w szczególności poziom energii wzbudzenia, do intensywności oświetlenia. Mechanizm ten posiada istotny walor foto-protekcyjny, uwzględniając fakt, iż wszelkie wzbudzenia nadmiarowe mogą być wykorzystane do generowania sprzyjających degradacji reaktywnych form tlenu.

W trakcie innych prac odkryliśmy funkcjonowanie mechanizmu w aparacie fotosyntetycznym roślin, w ramach którego część energii pochodzącej z pochłoniętych kwantów światła, a rozproszonej do środowiska w postaci ciepła, podlega swoistemu recyklingowi poprzez resorpcję energii termicznej i ponowne skierowanie jej na ścieżki reakcji fotochemicznych. Proces ten nie tylko podnosi wydajność energetyczną fotosyntezy, ale okazuje się kluczowym dla funkcjonowania Fotosystemu II, odpowiedzialnego między innymi za fotosyntetyczne wydzielanie tlenu.