Wetenschappers hebben ingewikkelde structurele veranderingen in planten onthuld, schimmels en bacteriën als reactie op licht, volgens een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in het open-accesstijdschrift eLife .

De bevindingen bieden nieuwe inzichten in de functie van eiwitmoleculen, fytochromen genaamd, die aanwezig zijn in deze drie soorten organismen. De resultaten kunnen leiden tot hulpmiddelen die de functie van fytochromen regelen om efficiëntere groeipatronen in planten en gewassen te bereiken.

Planten passen zich voortdurend aan veranderingen in het licht aan en regelen hun groeipatroon op basis van de beschikbaarheid van licht. Dit bereiken ze door middel van fytochromen, de oorsprong van lichtdetectie in alle vegetatie op aarde. Fytochromen kunnen twee verschillende vormen aannemen, afhankelijk van het beschikbare licht. Om deze vormverandering te bereiken, een cascade van signalen vindt plaats vanaf de chromofoor - het punt in het fytochroom waar licht wordt geabsorbeerd.

"Het fytochroom stelt organismen in staat om onderscheid te maken tussen twee kleuren licht, planten geven, schimmels en bacteriën primitief tweekleurenzicht, " legt hoofdauteur Elin Claesson uit, een doctoraatsstudent aan de Universiteit van Göteborg, Zweden. "De sleutel tot zijn functie is de eerste reactie op licht, waarbij het lichtsignaal in een fractie van een seconde wordt vertaald in structurele veranderingen. De mechanismen die deze vertaling mogelijk maken, worden slecht begrepen, omdat de technologie voor het bestuderen van fytochromen onmiddellijk nadat het licht ze bereikt, niet eerder beschikbaar was."

Om deze kloof te dichten, het team onder leiding van Sebastian Westenhoff, Hoogleraar bij de afdeling Chemie &Moleculaire Biologie, Universiteit van Göteborg, en Marius Schmidt, Hoogleraar bij de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Wisconsin-Milwaukee, ONS, gebruikte een nieuwe röntgenlaser die elke 10 femtoseconden (een quadriljoenste van een seconde) foto's van eiwitten op atomair niveau kan maken. Dit stelde hen in staat om de beweging van elke atomaire component van het fytochroom-eiwit te onthullen en de cascade van gebeurtenissen samen te voegen die groei veroorzaakt als reactie op licht.

Het team vond verrassend grote herschikkingen van de chromofoor en de omliggende eiwitstructuren onmiddellijk na lichtabsorptie. Ze observeerden de verdraaiing van een deel van de chromofoor genaamd de D-ring, wat op zijn beurt verplaatsing van de naburige ringen veroorzaakt, evenals veranderingen van atomen rond de chromofoor. Verrassend genoeg, ze ontdekten ook het vrijkomen van een watermolecuul, pyrroolwater genoemd, dat wordt gevonden op dezelfde plaats in fytochromen in alle organismen.

"Deze bevindingen tonen aan dat de initiële reactie op licht zeer collectief is en dat veel delen van het chromofoor en het fytochroom-eiwit een belangrijke rol spelen, " concludeert senior auteur Sebastian Westenhoff. "Onze studie bevestigt een eerder werkmodel van de draaiende beweging van de D-ring en suggereert dat het pyrroolwatermolecuul ook belangrijk is in dit proces. We stellen voor dat beide chemische gebeurtenissen samenwerken, waardoor fytochroom-eiwitten licht kunnen vertalen in structurele signalen, het begeleiden van de groei en ontwikkeling van planten, schimmels en bacteriën op aarde."