Избыток инсоляции может нарушить процесс фотосинтеза, приводя к обгоранию растений и других организмов, которые используют Солнце для выработки энергии. Однако морские водоросли нашли хитроумную защиту.
Исследователи из Университета Метрополитен в Осаке и их коллеги обнаружили, что пигмент под названием сифонеин помогает морским зеленым водорослям поддерживать фотосинтез без вреда для себя. Результаты исследования опубликованы в Cell Reports Physical Science.
Фотосинтезирующие организмы используют сложные светособирающие комплексы (ССК) для улавливания солнечного света и получения энергии. Во время фотосинтеза хлорофилл поглощает свет и переходит в возбужденное синглетное состояние.
При нормальном освещении эта энергия эффективно передается в центр фотосинтетической реакции для запуска химических преобразований. Но избыток света может привести к тому, что молекулы хлорофилла перейдут в опасное «триплетное» состояние, которое является источником активных форм кислорода, способных вызывать окислительные стресс и повреждения тканей.
Как пояснила Рицуко Фуджи (Ritsuko Fujii), ведущий автор и доцент Высшей школы науки и исследовательского центра искусственного фотосинтеза при Столичном университете Осаки, для быстрого рассеивания избыточной энергии или гашения триплетных состояний организмы используют каротиноиды. Процесс «тушения пожара» называется триплет-триплетным переносом энергии. Однако до недавнего времени правила, регулирующие защиту от солнечных ожогов, оставались неясными.
Исследовательская группа искала ответ у Codium fragile, морской зеленой водоросли. Как и у наземных растений, у нее есть светособирающая «антенна» под названием LHCII, но с одним отличием: она содержит нестандартные каротиноиды сифонеин и сифонаксантин, которые позволяют водоросли использовать для фотосинтеза зеленый участок спектра.
По словам соавтора исследования Алессандро Агостини из Университета Падуи, Италия, ключ к механизму гашения избыточной энергии лежит в том, насколько быстро и эффективно могут быть деактивированы триплетные состояния. С помощью усовершенствованной спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), которая позволяет напрямую обнаруживать триплетные возбужденные состояния, команда ученых сравнила Codium fragile с огородным шпинатом (Spinacia oleracea).
После кратковременной избыточной инсоляции шпинате по-прежнему обнаруживались слабые сигналы триплетных состояний хлорофилла. Напротив, в Codium fragile эти вредные состояния полностью исчезли, что является явным доказательством того, что каротиноиды в системе водорослей полностью их подавляют. Исследование показало, что структура антенн у фотосинтезирующих зеленых водорослей отлично защищает от лишних фотонов.
Объединив ЭПР с квантово-химическим моделированием, команда определила, что сифонеин, расположенный в ключевом месте связывания LHCII, является основным фактором этого замечательного защитного эффекта.
Работа также прояснила электронные и структурные принципы, лежащие в основе эффективного гашения триплетных состояний, и показала, как особая электронная структура сифонеина и его положение в комплексе LHCII усиливают его способность рассеивать избыточную энергию.
Полученные данные свидетельствуют о том, что морские водоросли в ходе эволюции выработали уникальные пигменты не только для того, чтобы улавливать сине-зеленое излучение, доступное под водой, но и для повышения устойчивости к избыточному солнечному свету.
Помимо углубления общих знаний о фотосинтезе, результаты исследования открывают возможности для разработки биотехнологий в области солнечной энергетики со встроенными защитными механизмами, а также для создания более долговечных и эффективных систем возобновляемой энергетики.
Мы надеемся в дальнейшем прояснить структурные характеристики каротиноидов, которые повышают эффективность гашения энергии, что в конечном счете позволит создавать пигменты для оптимизации фотосинтетических антенн на молекулярном уровне.
Недавно российские ученые выяснили, как панцирные (диатомовые) водоросли пережили ледниковый период.
