В искусственной клетке собрали аппарат фотосинтеза
Анна Казнадзей, N+1
Итальянские ученые создали в искусственной клетке фотосинтетический аппарат. Реакционные центры правильно ориентированы в мембране гигантских везикул и способны эффективно создавать протонный градиент. Статья с описанием системы опубликована в PNAS – Biophysics and Computational Biology (Altamura et al., Highly oriented photosynthetic reaction centers generate a proton gradient in synthetic protocells).
Фотосинтезом называется реакция, в ходе которой энергия света преобразуется в энергию химических связей. Это позволяет, например, растениям с помощью квантов света превращать углекислый газ и воду в органические соединения и кислород. Так растения питаются, и за счет этого процесса выживает огромное количество других организмов на Земле: во-первых, они поедают эти «живые кристаллы», создающие сами себя из света и воздуха, а во-вторых, они дышат кислородом, который растения производят. Фотосинтетический аппарат у растений находится в мембранах специальных органелл – хлоропластов. В процессе работы хлоропластов создается поток протонов через мембрану, и возникает протонный градиент, благодаря которому клетки запасают энергию, синтезируя высокоэнергетические молекулы АТФ. Некоторые бактерии тоже способны к фотосинтезу. Фотосинтетический аппарат у них расположен в цитоплазматических мембранах, и протонный градиент создается между цитоплазмой и наружной средой.
Исследователи работали с фотосинтетическим аппаратом пурпурных бактерий. Большинство из таких бактерий анаэробны, и фотосинтез у них бескислородный – вместо кислорода при завершении реакции образуется, например, сера. Реакционный центр (РЦ) в их фотосинтетическом аппарате устроен таким образом, что при поглощении кванта света восстанавливается одна молекула хинона, для чего требуются два протона из цитоплазмы. Образующийся в результате протонный градиент позволяет им синтезировать АТФ.
Конфокальная микроскопия реакционных центров (окрашены красным)
в протоклетках (внутренняя полость содержит зеленый краситель кальцеин).
Здесь и ниже рисунки из статьи в PNAS.
Для создания искусственной системы ученые использовали только основной трансмембранный белок реакционного центра бактерии Rhodobacter sphaeroides, без вспомогательных молекул. Этот белок состоит из двух высокогидрофобных субъединиц и одной гидрофильной. Упрощенный реакционный центр встраивали в различные липидные мембраны, в том числе в плоские билипидные слои. Одной из существенных проблем подобных экспериментов является ориентация белков в мембранах: при встраивании они часто оказываются ориентированы в разные стороны, и поэтому правильного протонного градиента создать не могут. В новой работе ученым удалось создать настоящую протоклетку – гигантскую липидную везикулу – со встроенными в мембрану РЦ, девяносто процентов из которых ориентированы в нужную сторону.
Принцип сборки мицеллы с селективной ориентацией реакционных центров.
Для получения гиганстких везикул был применен метод переноса капель. Вначале белок выделили из бактериальной мембраны, растворили в воде и получили гомогенную мицеллярную субстанцию. Она содержала полностью активные реакционные центры, окруженные и защищенные от воды молекулами детергента. Затем ее эмульгировали в смеси жиров фосфатидилхолина и фосфатидилглицерина и поместили на поверхность воды, создав двухфазную систему, которую затем центрифугировали и получили гигантские липидные везикулы со встроенными в них РЦ. Гидрофобные взаимодействия при контакте с липидно-водной эмульсией заставляли реакционные центры разворачиваться в одну и ту же сторону, поскольку гидрофильная субъединица белка стремилась к воде, а гидрофобные стремились отдалиться от нее и попадали, таким образом, внутрь липидного бислоя. Полученные везикулы имели диаметр около 20 мкм, были стабильными и обладали достаточно высокой плотностью белков – они содержали ~1 реакционный центр на 2200 молекул липидов, что составляет примерно треть от соответствующей плотности в мембранах фотосинтетических бактерий.
Дальнейший анализ показал, что фотосинтетические белки в таких везикулах активны. Для того, чтобы убедиться в этом, везикулы освещали короткими вспышками света и измеряли скорость реакции рекомбинации. Кроме того, добавление в раствор водорастворимого цитохрома в качестве электронного донора показало, что 90 процентов реакционных центров действительно ориентированы в сторону внешней среды – сигнал, свидетельствующий о рекомбинации, практически пропадал, поскольку цитохром эффективно окислялся, чего бы не происходило, будь они ориентированы в другую сторону. После этого в раствор добавляли аналог убихинона – децилубихинон, который при возобновлении вспышек начинал работать в качестве акцептора электрона, превращаясь в децилгидроубихинон за счет доноров электронов – цитохромов. Со временем рекомбинация вновь появлялась, поскольку доноры электронов заканчивались. В дальнейшем удалось измерить и что скорость перемещения протонов через мембрану: она составила приблизительно один протон в минуту на каждый реакционный центр. Эффективность работы зависит, по-видимому, от ряда физических факторов, в том числе от размера везикул и состава липидной мембраны.
Раньше мы уже рассказывали, как создавался бионический лист, также способный имитировать фотосинтез, но с помощью работы живых бактерий (и еще один – без бактерий, на основе люминесцентных солнечных концентраторов – ВМ). В этом же проекте разработанный метод позволит расширить работу с искуственнными везикулами, полагают ученые. Следующая задача – встраивать в них и другие белковые комплексы в правильной ориентации, в том числе АТФ-синтазу, которую ранее получалось обращать только во внешнюю среду, а не внутрь везикулы, как нужно. Совместная работа РЦ и АТФ-синтазы позволит везикулам запасать энергию света в связях молекул АТФ, что приближает исследователей к конструированию энергетически автономных искуственных клеток.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
23.03.2017