Een team van wetenschappers van ASU's School of Molecular Sciences en Pennsylvania State University heeft ons een stap dichter bij het ontsluiten van de geheimen van fotosynthese gebracht, en mogelijk naar schonere brandstoffen.

Hun ontdekking werd onlangs online gepubliceerd in Wetenschap en beschrijft de structuur van een reactiecentrum (van een heliobacterie) dat de kenmerken van de voorouderlijke behoudt, en geeft zo nieuw inzicht in de evolutie van fotosynthese.

Fotosynthese is het belangrijkste biologische proces dat de biosfeer aandrijft. Het maakt gebruik van de energie van zonlicht, en voorziet ons van onze belangrijkste bronnen van voedsel en brandstof. De studie van fotosynthese heeft wetenschappers niet alleen in staat gesteld om de fijne kneepjes te begrijpen van hoe organismen licht gebruiken om hun metabolisme aan te drijven, maar heeft ook de weg vrijgemaakt voor technologische vooruitgang op het gebied van duurzame energiebronnen.

"Het fotosyntheseproces ontstond ongeveer 3 miljard jaar geleden, voordat de atmosfeer van de aarde zuurstof bevatte, " zei Kevin Redding, een professor in de School of Molecular Sciences in het College of Liberal Arts and Sciences, wiens groep het onderzoek leidt bij ASU. "Fotosynthese werkt met behulp van gespecialiseerde membraaneiwitten, fotosynthetische reactiecentra genoemd, die de energie van licht verzamelen en gebruiken om elektronen over een biologisch membraan van de ene cellulaire elektronendrager naar de andere te pompen, resulterend in de omzetting van elektromagnetische (d.w.z. licht) energie in chemische energie, die het organisme kan gebruiken."

Veel onderzoek heeft uitgewezen dat deze reactiecentra slechts één keer op de planeet zijn verschenen, en zijn sindsdien gediversifieerd om verschillende soorten chemie uit te voeren.

Ondanks de diversificatie, de reactiecentra behouden dezelfde algemene architectuur, die hun gemeenschappelijke oorsprong weerspiegelen. Gedurende de laatste 3 miljard jaar zijn deze eiwitten ontwikkeld en veranderd en het was moeilijk om te reconstrueren wat er in deze enorme periode is gebeurd. Echter, we weten wel dat een van hen het vermogen ontwikkelde om water te oxideren, zuurstof vrijgeven. Dit veranderde de wereld onherroepelijk, en toegestaan ​​voor het leven zoals we het vandaag kennen.

Het team is van mening dat het eerste reactiecentrum (RC) veel eenvoudiger was dan de huidige versies. Wat de eiwitstructuur betreft, het was een homodimeer - dat wil zeggen, twee kopieën van hetzelfde polypeptide kwamen samen om een ​​symmetrische structuur te vormen. De reactiecentra waarvan we de structuren kennen, zijn allemaal heterodimeren waarin deze inherente symmetrie is verbroken, hoewel ze in hun hart nog steeds de overblijfselen van de oorspronkelijke symmetrische architectuur behouden.

De heliobacterie van het artikel in Wetenschap is een lid van de meest primitieve van de fotosynthetische bacteriën, bacteriën die geen zuurstof maken - in feite, ze zijn volledig intolerant voor zuurstof, zoals de eerste organismen. Ze kunnen ook geen koolstofdioxide uit de atmosfeer fixeren en moeten organische koolstofbronnen gebruiken. Belangrijk voor dit onderzoek, hun RC is een homodimeer.

Dus, dit is de eerste homodimere RC-structuur en het werpt op verschillende manieren licht op hoe de voorouderlijke RC eruit zou kunnen zien. In verschillende opzichten lijkt de algehele architectuur van het eiwit sterk op de fotosystemen van planten en cyanobacteriën en de RC van de paarse zwavelbacteriën. Echter, gebouwd op die gemeenschappelijke architectuur zijn enkele cruciale chemische verschillen die resulteren in een chemie die verschilt van die van de bekende RC's, inclusief hun vermogen om zowel in water oplosbare als in vet oplosbare dragers te gebruiken, een vermogen waarvan eerder werd gedacht dat het beperkt was tot een of ander type RC.

Dit werk is het resultaat van een samenwerking tussen Kevin Redding, Raimund Fromme, universitair hoofddocent aan de School of Molecular Sciences en een onderzoeker in het Centrum voor Toegepaste Structurele Biologie van het Biodesign Institute, en John Golbeck van de Pennsylvania State University.

Redding en Golbeck hadden 8 jaar geleden besloten om hun krachten te bundelen om de heliobacteriële RC aan te pakken. Ze combineerden hun individuele subsidies van het ministerie van Energie in een gezamenlijke subsidie, die sindsdien twee keer is vernieuwd:de derde iteratie begon een jaar geleden. Fromme kwam ongeveer 4 jaar geleden officieel bij de groep, hoewel hij eerder met Iosifina Sarrou aan de kristallografie van de RC had gewerkt, een postdoctoraal onderzoeker in de Redding-groep die de zuivering ervan had geoptimaliseerd. Het werk begon pas echt toen Christopher Gisriel, een doctoraatsstudent in de Redding-groep, begon te werken met Fromme om de RC te kristalliseren.

"Ik geef Chris en Raimund de eer dat ze hebben gedaan wat nodig was om deze structuur te krijgen, " zei Redding, die ook de directeur is van ASU's Centrum voor Bio-energie en Fotosynthese.

"Raimunds expertise in de kristallisatie van membraaneiwitten en het oplossen van hun structuur was cruciaal. Chris deed het zeer harde werk om de zuivering te verbeteren, het optimaliseren van de kristallisatieomstandigheden, en zijn kristallen vele malen naar de bundellijnen brengen. En omdat het eiwit inherent zuurstofgevoelig is, hij moest alle zuivering en kristallisatie in een handschoenenkastje doen!"

"Dit is het moment waarop een kristallograaf wacht, " zei Fromme, waarin wordt uitgelegd hoeveel jaren het kan duren om het perfecte eiwitkristal te kweken dat geschikt is voor röntgenonderzoek.

Redding vervolgde, "Ze waren in staat om de diffractiekwaliteit te krijgen van een resolutie van ~10 Å tot 2-2,5 in een paar jaar hard werken … en toen kwam de enorme taak om de structuur op te lossen. Chris begon met een zeer uitgeklede model van hoe de RC eruit zou kunnen zien, gebaseerd op verwachte overeenkomsten met het cyanobacteriële Photosystem I, en werkte er vervolgens maandenlang constant aan. Hij moest zichzelf nieuwe software aanleren en lange nachten werken om daar te komen. Zodra hij iets had dat er echt uitzag, Raimund was in staat om dat te nemen en naar een hoger niveau te tillen. En door samen te werken hebben ze een werkelijk prachtige structuur met een zeer hoge resolutie geproduceerd."

"Chris is een veteraan van het Amerikaanse leger, in Afghanistan hebben gediend, " zei Redding. "Hij kwam naar ASU als een belangrijke biochemie en begon in mijn laboratorium te werken als een niet-gegradueerde onderzoeker. Omdat ik nooit eerder serieus de mogelijkheid van een carrière in onderzoek had overwogen, hij was er aanvankelijk niet zeker van hoe ver hij op dit pad wilde gaan. Echter, hij kreeg er al snel een voorliefde voor, en duwde me toen om hem toe te staan ​​het RC-kristallografieproject op zich te nemen als masterstudent. Ik waarschuwde hem ervoor, wetende hoe moeilijk het zou zijn en de lage kans op succes, maar hij hield vol, en uiteindelijk gaf ik toe. Later besloot hij te promoveren. Hij zal later dit semester zijn proefschrift verdedigen en ik zou niet trotser op hem kunnen zijn."

"Dit reactiecentrum wordt alleen gevonden in organismen die in zuurstofvrije omgevingen kunnen leven, zoals die van de vroege aarde, Gisriel zei. "Dit werk heeft de deur geopend voor wetenschappers over de hele wereld om de kenmerken van het primitieve reactiecentrum te vergelijken met die van meer geavanceerde reactiecentra die zich in zuurstoftolerante organismen bevinden. Als resultaat, we krijgen een duidelijker en beter geïnformeerd beeld van hoe de natuur de door licht aangestuurde energiecollectie heeft geoptimaliseerd."