Kierownik projektu :
dr hab. Joanna Monika Kargul, prof. UW
Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego

Panel: NZ1

Konkurs : OPUS 8
ogłoszony 15 września 2014 r.

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 Łepeckifot. 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 Łepeckifot. 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.

Pełny tytuł finansowanego projektu : Charakterystyka struktury i funkcji aparatu fotosyntetycznego z ekstremofilnej czerwonej mikroalgi Cyanidioschyzon merolae

dr hab. Joanna Monika Kargul, prof. UW

Kierownik - dodatkowe informacje

Kierownik Laboratorium Paliw Słonecznych w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. Doktorat z nauk biologicznych uzyskała w 1999 r. w University of Warwick w Wielkiej Brytanii. Staż podoktorski odbyła w grupie prof. Jamesa Barbera w Imperial College London w Wielkiej Brytanii, badając strukturę i funkcję kompleksów fotosyntetycznych. Badania te zaowocowały przełomowymi odkryciami unikalnych molekularnych mechanizmów szybkiej adaptacji fotosyntetycznej do zmieniającego się środowiska. Habilitację uzyskała w 2009 r. na Wydziale Biologii UW. W 2011 r. po powrocie z Londynu do Warszawy utworzyła interdyscyplinarny, międzynarodowy zespół biologów i chemików do badań podstawowych i aplikacyjnych nad fundamentalnym procesem naturalnej fotosyntezy, jak również produkcją tzw. paliw słonecznych w biomolekularnych urządzeniach sztucznej fotosyntezy.

fot. Michał Łepecki