Badania mechanizmów fotosyntezy prowadzone są od wielu lat. Ten niezwykły proces pomaga roślinom wykorzystywać energię słoneczną na masową skalę, dlatego też naukowcy przyglądają mu się z wielkim zainteresowaniem. Do tej pory jednak pewne reakcje chemiczne, warunkujące zaistnienie fotosyntezy pozostawały nieznane. Nowe badania przeprowadzone przez grupę badaczy, w której skład wchodzą także naukowcy z UJ rzucają jednak nowe światło na ten temat. Opowiada o nich dr Michał Gabruk z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ.

Artykuł, którego współautorem są badacze z UJ ukazał się w najnowszym numerze Nature Plants.

Życie niemal wszystkich organizmów na Ziemi – pośrednio lub bezpośrednio – uzależnione jest od fotosyntezy. To w tym procesie produkowane są związki organiczne, które stanowią nasze pożywienie, oraz tlen, którym oddychamy. Kluczową rolę w procesie fotosyntezy odgrywają cząsteczki chlorofilu. Chlorofil nie tylko nadaje zieloną barwę liściom, ale przede wszystkim pochłania światło słoneczne, którego energia napędza cały proces fotosyntezy.

Biosynteza chlorofilu to skomplikowany szlak, w którym kilkanaście enzymów stopniowo przekształca niewielki, rozpuszczalny w wodzie substrat do związków coraz bardziej hydrofobowych i o coraz lepszych zdolnościach do absorbcji światła. Ostatnia reakcja zachodzi na powierzchni błony lipidowej i prowadzi do powstania chlorofilu. Organizmy fotosyntetyzujące muszą zatem w jakiś sposób kierować prekursory chlorofilu do błony oraz jednocześnie przygotowywać błony lipidowe do umieszczenia w nich gotowych fotosystemów, odpowiedzialnych za fotosyntezę. Badania prowadzone od lat 50. ubiegłego wieku wskazują, że we wszystkie te procesy zaangażowany jest jeden enzym: zależna od światła oksydoreduktaza protochlorofilidu (LPOR). Wiadomo było, że LPOR w ciemności tworzy duże kompleksy wraz z jednym z prekursorów chlorofilu, a po wystawieniu tych kompleksów na światło, enzym przeprowadza reakcję katalityczną, modyfikując związany barwnik do cząsteczki bardzo przypominającej gotowy chlorofil. Mechanizm tworzenia się tych kompleksów, ich struktura ani mechanizm zależnej od światła reakcji nie były jednak znane.

Wykorzystując enzym LPOR, produkowany przez genetycznie modyfikowane bakterie, prekursor chlorofilu, który oczyszczamy z siewek pszenicy, a także specjalnie skomponowaną mieszaninę lipidów, soli i innych związków potrzebnych enzymowi, udało nam się znaleźć warunki, w których LPOR tworzy kompleksy bardzo podobne do tych znajdowanych w roślinach. We współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco oraz przy użyciu techniki mikroskopii krioelektronowej, uzyskaliśmy tysiące zdjęć tych kompleksów, aby z nich odtworzyć strukturę 3D całego układu z niemal atomową rozdzielczością.

Okazało się, że LPOR, wiążąc swoje substraty, w tym barwnik będący prekursorem chlorofilu, przyłącza się do błony lipidowej, a w niej bezpośrednio oddziałuje z jednym z lipidów. To powoduje zmianę kształtu enzymu, która inicjuje oligomeryzację, tj. łączenie się wielu cząsteczek enzymu w większy kompleks. Oligomeryzacja nie jest jednak przypadkowa: pojedyncze cząsteczki enzymu najpierw łączą się i tworzą długie nici, które następnie zwijają się razem w większe włókno. Dzięki temu, że każda z cząsteczek enzymu wiąże lipidy, błona lipidowa jest wciągana do wnętrza włókna i mocno oplatana przez cząsteczki enzymu, które jednocześnie wciskają w błonę prekursor chlorofilu. Cały ten proces jest bardzo szybki i wydajny, a zachodzi tylko w ciemności. Wystarczy błysk światła, a cząsteczki enzymu w obrębie włókna przeprowadzą  reakcję katalityczną, co w ciągu kilku minut prowadzi do rozpadu całego kompleksu: uwięzione wewnątrz lipidy są uwalniane wraz z prekursorem chlorofilu wciśniętym w błonę, co stanowi pierwszy etap tworzenia się błon fotosyntetycznych. Dzięki uzyskaniu struktury z niemal atomową rozdzielczością całego aktywnego kompleksu wiemy w jaki sposób barwnik jest wiązany przez enzym. To pozwoli nam w przyszłości poznać mechanizm zależnej od światła reakcji.

Cały proces tworzenia się włókien LPOR i ich akumulowania w dużych ilościach jest szczególnie nasilony w młodych siewkach roślin ukrytych gdzieś przy ziemi, w pąkach drzew czy we wnętrzu kapusty: wszędzie tam gdzie liście nie mają dostępu do światła. Widząc takie bladożółte tkanki roślin możemy mieć pewność, że włókna LPOR powoli rozpadają się w nich, pomagając tworzyć błony fotosyntetyczne i chlorofil.

Dr Michał Gabruk

Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin
Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ