Карти хлоропластів відкривають нові горизонти для відновлюваної енергетики

Десятиліттями наука розуміла базові принципи фотосинтезу — процесу, за допомогою якого рослини перетворюють сонячне світло на поживні речовини.

Джерело: phys.org

Однак цей процес протікає на унікальних спеціалізованих мембранах, природу яких ми лише починаємо усвідомлювати. Вони мають безперервно збиратися, перебудовуватися та відновлюватися в міру того, як рослини ростуть і реагують на зовнішні стреси. Тепер команда дослідників з Університету Небраски-Лінкольна (UNL) вперше нанесла на карту нову область всередині хлоропластів, яка виконує роль складального конвеєра для фотосинтетичних мембран. Це відкриття, опубліковане в журналі Nature Communications, ідентифікує конкретну зону в клітині, де буквально будуються, ремонтуються та обслуговуються механізми життя.

Для доцента Центру інновацій рослинництва та кафедри біохімії Ребекки Ростон це відкриття стало кульмінацією кар'єрних амбіцій. Вона згадує, що ще в студентські роки її зачаровував той факт, що наука знала розташування кожного атома у фотосистемі, але не мала уявлення про те, як ці структури зводяться насправді. Шлях до успіху виявився непростим і залучив команду молодих вчених, які подолали серйозні особисті виклики. Аспірант Еван ЛаБрант очолив початковий етап, перевіряючи десятки білків за допомогою флуоресцентних міток. Разом із підопічною Джослін Ішимве, яка застосувала нову техніку машинного навчання для кількісного аналізу тисяч мікроскопічних зображень, вони виявили кілька перспективних білків у спеціалізованих зонах хлоропластів.

Щоб довести, що знайдені білки дійсно відповідають за побудову мембран, до проєкту приєдналася Кейлін Сміт. Її суворі експерименти продемонстрували: за відсутності певних білків, як-от TVPFP або PMFP, фотосинтетичні мембрани рослини ставали дезорганізованими. Спільно з експертом із мікроскопії Барою Альтартурі вона довела, що у мутантів за білком TVPFP зони мембранних контактів були помітно розширені, тоді як у мутантів PMFP щільність цих контактів знижувалася. Група студентів під керівництвом Сміт підтвердила зв'язок цих раніше невідомих білків з архітектурою мембран, підкріпивши теорію про існування в хлоропластах спеціалізованих «сервісних центрів» для обслуговування внутрішньоклітинних структур.

Фінальна частина пазла вимагала масштабного протеомного аналізу (вивчення сукупності білків). Алондра Торрес-Хенера разом із експертом Майклом Налдреттом та дослідником Фан Хуаном провели паралельні аналізи білкових профілів. Цей підхід дозволив виявити проміжну фракцію «легких тилакоїдів» із унікальним функціональним підписом. Ця зона виявилася надзвичайно збагаченою процесами транспорту та метаболізму ліпідів (жирів), а також іншими механізмами, пов'язаними з перебудовою мембран та обслуговуванням органел. Фракція містила безліч білків, схожих на відомі фактори контактних зон мембран, що довело наявність структурованого інтерфейсу, а не випадкового забруднення з боку сусідніх тканин.

Розуміння того, як рослини створюють і ремонтують свої унікальні фотосинтетичні мембрани, має колосальне значення для майбутнього сільського господарства та відновлюваної енергетики. В аграрному секторі ці мембрани є головною мішенню для екологічних стресів: екстремальні температури, тривалі посухи та надто інтенсивне сонячне випромінювання пошкоджують їх, що суттєво знижує врожайність культур. Глибоке розуміння процесів регенерації та збирання фотосистем допоможе генетикам знайти нові важелі для підвищення стійкості сільськогосподарських рослин, що є давньою метою світової селекції.

Водночас фотосинтетичні мембрани представляють одну з найефективніших природних систем перетворення сонячної енергії. Детально описуючи, як рослини підтримують архітектуру своїх міцних мембран, ця робота пропонує людству готові концепції та «молекулярні списки деталей». Вони можуть лягти в основу проектування біоміметичних (наслідуючих живу природу) або біогібридних мембран для технологій відновлюваної енергетики наступного покоління, включаючи системи прямого перетворення сонячного світла на паливо або електрику. Дослідження стало результатом міждисциплінарних зусиль кількох наукових центрів, а молоді вчені ЛаБрант і Сміт успішно захистили свої дисертації за результатами цієї фундаментальної праці.

Підписуйтеся на наш телеграм-канал https://t.me/VisicomAPI