Molekularne mechanizmy procesu fotosyntezy w warunkach ekstremalnych

Energia słoneczna napędza życie na naszej planecie poprzez fundamentalny proces fotosyntezy. Naturalne fotosystemy stanowią duże membranowe kompleksy białkowe, wiążące doskonale zorganizowane przestrzennie układy kofaktorów transportu elektronowego i pigmentów, tworząc w ten sposób wysoko wydajne makromolekularne nanomaszyny do przekształcania energii słonecznej w energię chemiczną. Konwersja energii słonecznej w paliwo jest prawdopodobnie najbardziej atrakcyjnym sposobem produkcji czystej energii w dobie coraz większego zapotrzebowania energetycznego naszej cywilizacji. W erze globalnych zmian klimatycznych, których dobitnie doświadczamy na co dzień, istnieje pilna potrzeba, aby dogłębnie zrozumieć molekularne mechanizmy procesu fotosyntezy, szczególnie w warunkach ekstremalnych, podobnych do tych, w których powstały pierwsze formy życia.

fot. Michał Łepecki Struktura aparatu fotosyntetycznego jednokomórkowego krasnorostu Cyanidioschyzon merolae, ekstremofilnej mikroalgi z wulkanicznych gorących źródeł, dowodzi, iż ten organizm jest ewolucyjnym ogniwem pośrednim pomiędzy cyjanobakteriami a roślinami wyższymi. Nasz projekt miał na celu poznanie, w jaki sposób aparat fotosyntetyczny tej termofilnej i kwasolubnej mikroalgi reguluje swoją funkcję w ekstremalnych warunkach środowiskowych. W tym celu zbadaliśmy: (1) dynamiczne zmiany struktury układów antenowych (wychwytujących energię słoneczną) związanych z fotosystemami I i II (PSI i PSII) w komórkach C. merolae w zmieniających się warunkach ilości i jakości spektralnej światła; (2) szybkość wymiany cząsteczek substratowych wody w centrum katalitycznym PSII (enzymu rozszczepiającego wodę pod wpływem światła słonecznego); (3) poznanie roli karotenoidów: pigmentów zidentyfikowanych w kompleksach PSI i PSII z C. merolae, chroniących aparat fotosyntetyczny przed nadmiarem światła. Dodatkowym celem było (4) zbadanie kinetyki wczesnych procesów konwersji energii słonecznej, w tym szlaków transferu zaabsorbowanych kwantów światła w fotosystemach wyizolowanych z tej ekstremofilnej mikroalgi.

fot. Michał Łepecki Pokazaliśmy, że oba fotosystemy wyizolowane z tego fascynującego ekstremofila cechują się wyjątkową stabilnością w ekstremalnych warunkach pH, temperatury i oświetlenia. Co więcej, wydajność kwantowa enzymu rozszczepiającego wodę (PSII) pozostaje niezmieniona niezależnie od warunków oświetlenia. Stosując wysoce interdyscyplinarne podejście badawcze z użyciem biochemicznych, biofizycznych, proteomicznych i zaawansowanych metod mikroskopowego obrazowania pojedynczych kompleksów fotosyntetycznych określiliśmy następujące molekularne mechanizmy fotoadaptacji apaparatu fotosyntetycznego C. merolae do zmiennych warunków oświetlenia: (i), akumulacja fotoprotekcyjnych pigmentów (zeaksantyny i β-karotenu) w kompleksach antenowych oraz w fotosyntetycznych centrach reakcji; (ii), dynamiczne zmiany struktury zarówno anten, jak i centrów reakcji fotochemicznych w kompleksach PSI i PSII, na poziomach białkowym i pigmentowym, które umożliwiają wydajniejszą utylizację światła słonecznego dla metabolizmu komórkowego; i (iii) niezmieniona kinetyka reakcji fotosyntetycznego rozszczepienia wody w kompleksie PSII z C. merolae w porównaniu z jego odpowiednikami z organizmów mezofilnych.

Precyzyjne określenie molekularnych mechanizmów regulujących fotoprotekcję i wysoką stabilność aparatu fotosyntetycznego ekstremofilnego jednokomórkowego krasnorostu C. merolae jest istotne dla zrozumienia procesów wydajnej konwersji energii słonecznej i zachowania komórkowej homeostazy energetycznej w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Zdobyta w naszym projekcie wiedza ma zatem duży potencjał translacyjny. Ułatwi ona bowiem opracowanie lepszych niż dotąd strategii wytworzenia wydajnych i stabilnych biomimetycznych urządzeń konwertujących energię słoneczną w czyste paliwo, zwykle działających w warunkach ekstremalnych, a tym samym przyczyni się do wydajniejszego wytworzenia czystej energii.