Jihočeští vědci pomohli odhalit strukturu fotosystému sinic

Fotosyntéza je klíčový proces pro udržení života na planetě, jelikož je jako jediný schopen zpracovávat sluneční energii a převádět ji na jiné formy energie, které živé organismy včetně člověka mohou využívat. Jelikož veškerá potrava je fotosyntetického původu, ať už jako primární produkt (ovoce, zelenina, obilí, …) nebo jako produkt sekundární (maso, mléko, …), je detailní pochopení fotosyntetických procesů zásadní nejen pro základní výzkum, ale i pro zvládnutí společenských výzev jako například zajištění dostatku potravin pro stále se zvyšující populaci na planetě.

Fotosyntézu máme dnes spojenou především se zelenými rostlinami, ale využívat sluneční záření pomocí fotosyntézy umí i jednodušší organismy, jako jsou například sinice. A právě na tyto jednodušší organismy cílí publikovaná studie. Všechny fotosyntetické organismy mají speciální útvary složené z proteinů, jejichž jediným úkolem je zachytit sluneční záření a získanou energii odevzdat dalším proteinům, které ji přemění na chemickou energii. Tyto útvary, které se nazývají světlosběrné antény, jsou u sinic velmi specifické, a jejich detailní struktura a mechanismus přenosu energie nebyly dosud známé.

Devítičlennému týmu složenému z odborníků na elektronovou mikroskopii, strukturní biologii, molekulární biologii a biofyziku se nyní podařilo tyto antény sinic do detailu popsat a zobrazit. Navíc, detailní znalost struktury umožnila zjistit, jak se zachycená energie celým systémem přenáší. Tuto analýzu provedli právě jihočeští vědci. „Měli jsme štěstí, že jsme vytvořili tým odborníků z různých oborů, kteří se skvěle doplňovali. Celá skupina měla tu správnou chemii“ říká Cheryl Kerfeld, profesorka strukturního bioinženýrství na Michigan State University, která celý projekt vedla. „Výsledkem je jedenáct stran objevů a překvapení“ doplňuje Maria Agustina Domínguez-Martín, první autorka publikace. Prostor, který časopis Nature této studii dal, je mimořádný, jelikož většina publikací v tomto prestižním časopisu má rozsah zhruba poloviční. To jen podtrhuje význam práce mezinárodního týmu vědců.

Umělecké ztvárnění světlosběrného aparátu sinic. Základní složky antény jsou znázorněny modře a zeleně, OCP protein je v oranžové barvě. © Janet Iwasa, University of Utah.

Kromě pochopení struktury a funkce světlosběrných antén sinic totiž studie obsahuje ještě další významný objev. Všechny fotosyntetické organismy se potýkají s problémem, jak ochránit svůj fotosyntetický aparát, když je světla příliš mnoho. U sinic bylo již dlouhou dobu známo, že za regulaci toku energie odpovídá malý protein zvaný OCP (z anglického Orange Carotenoid Protein), ale dosud nebylo vůbec jasné, jak tento protein funguje. Mezinárodnímu týmu vědců se pomocí elektronové mikroskopie podařilo odhalit místa, kde se tento malý protein váže na anténu. To byl první zásadní krok k pochopení mechanismu, jak tento protein může ovlivnit tok energie v mnohonásobně větší světlosběrné anténě. Následné modelování přenosu energie, které bylo výsledkem práce jihočeských vědců, mechanismus akce tohoto proteinu spolehlivě vysvětlilo. Celý systém je optimalizován tak, že OCP protein odebere přebytečnou energii z antény a bezpečně ji převede na teplo. „Velmi si vážím možnosti pracovat v tomto skvělém týmu“ říká Tomáš Polívka, profesor biofyziky na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity, který s Cheryl Kerfeld spolupracuje již téměř dvacet let. „Vidět poprvé strukturu celého systému byl neskutečný zážitek. Hned bylo jasné, že je to zásadní průlom, který nám umožní do detailu pochopit, jak systém funguje“, doplňuje.

Pochopení struktury a mechanismu zachycování a regulace světelné energie v sinicích je průlomovým objevem zejména proto, že je to poprvé v historii fotosyntetického výzkumu, kdy je možné „vidět“ jak nějaký fotosyntetický organismus omezuje svůj výkon v případě nadměrného množství světla. Studie je výchozím bodem pro další výzkum, včetně možných aplikací v oblasti umělé fotosyntézy, biotechnologií využívajících sinic například pro získávání specifických látek nebo i omezení nežádoucího výskytu sinic na vodních plochách.

Publikace: Dominguez-Martin, M.A., Sauer, P.V., Kirst, H., Sutter, M., Bína, D., Greber, B.J., Nogales, E., Polívka, T., Kerfeld, C.A. Structures of a phycobilisome in light-harvesting and photoprotected states. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05156-4

Kontakt: prof. Tomáš Polívka, Katedra fyziky, Přírodovědecká fakulta JU, Branišovská 1760, 37005 České Budějovice; tel. 777 729 590; e-mail: tpolivka@jcu.cz