Біологія
Хімія
Біологія
Хімія

Пустельні бактерії розвинули унікальну систему для фотосинтезу

Міжнародна група науковців описала раніше невідому фотосинтетичну систему, яку виявили в бактерій Gemmatimonas phototrophica з азійської пустелі. Як показали досліди, у процесі еволюції бактеріям вдалося модифікувати запозичену від інших бактерій фотосинтетичну систему, завдяки чому збільшилася ефективність вловлювання та передачі сонячної енергії під час фотосинтезу. Дослідження будови та функціонування нового для науки фотосинтетичного комплексу вчені оприлюднили в Science Advances.

Фотосинтетичний комплекс Gemmatimonas phototrophica. Tessa Koumoundouros / Sciencealert

Фотосинтетичний комплекс Gemmatimonas phototrophica. Tessa Koumoundouros / Sciencealert

Оновлено о 12:56 24.02.2022: внесено виправлення та уточнення. Спочатку ми писали про тип бактерій, але за сучасною номенклатурою прокаріотів правильно казати про відділ, тож ми внесли відповідне виправлення. Також ми замінили формулювання про звичну для гетеротрофів енергію хімічних зв'язків на коректніше.

Як бактерія запозичила необхідні для фотосинтезу гени?

Фотосинтез — це біологічний процес, що полягає в перетворенні енергії сонячного випромінювання на доступну, зокрема для нас, гетеротрофів, енергію хімічних зв’язків. Процес здійснюється за участю фотосинтетичних пігментів, до вироблення яких здатні виключно фототрофи (наприклад бактерії, водорості та рослини). В основі порівняно простого фотосинтетичного апарату фототрофних бактерій знаходяться пігменти, як-от бактеріохлорофіли, що за своїми функціями подібні до хлорофілів рослин.

Серед семи наразі відомих відділів бактерій, до яких входять фототрофи, відділ Gemmatimonadota вартий особливої уваги. Перший фототрофний представник цього відділу, Gemmatimonas phototrophica, виділений із прісноводного озера в пустелі Гобі. Цей повільно зростаючий мікроаерофіл отримав повний пакет генів, необхідних для фотосинтезу, шляхом віддаленого горизонтального перенесення генів від стародавньої фототрофної протеобактерії. З огляду на відсутність цілісного уявлення про еволюцію фотосинтезу, вчені з Великобританії, Данії, Нідерландів, Чехії та Швейцарії вирішили дослідити запозичений у такий спосіб фотосинтетичний апарат G. phototrophica.

Як досліджували запозичений фотосинтетичний апарат?

Клітини G. phototrophica спочатку культивували в мікроаерофільних умовах (10 відсотків кисню + 90 відсотків азоту) за температури 28 градусів Цельсія в темряві впродовж двох тижнів, щоби максимізувати експресію фотосинтетичних комплексів. Водночас було ідентифіковано всі гени, що кодують субодиниці комплексів фотосинтетичного апарату G. phototrophica. Культивовані клітини гомогенізували, а фотосинтетичні комплекси ретельно очистили від сторонніх домішок за допомогою стандартних методів молекулярної біології — спектрофотометричного, електрофоретичного, хроматографічного тощо. Після цього, структуру очищених фотосинтетичних комплексів вивчали методом кріоелектронної мікроскопії (або кріо-ЕМ), де зразок попередньо охолоджували до температури рідкого азоту. Отримані після кріоелектронної мікроскопії зображення фотосинтетичних комплексів аналізували за допомогою нейронної мережі та піддавали 3D-моделюванню.

Які особливості будови фотосинтетичних комплексів бактерії?

За допомогою зображень кріо-ЕМ група вчених зробила висновок, що отримані фотосинтетичні комплекси набагато більші (приблизно 20 нанометрів), ніж описані раніше подібні комплекси протеобактерій діаметром приблизно 16 нанометрів. Крім того, запозичені від протеобактерій фотосинтетичні комплекси мали дещо модифіковану структуру. Вони складалися з центрального реакційного центру і внутрішнього кільця світлозбиральних субодиниць, подібних до таких у протеобактерій, а також мали новий тип зовнішнього кільця.

Вчені з’ясували, що в G. phototrophica один і той самий ген pufB кодує лише частину субодиниць для обох кілець, тоді як інша частина субодиниць кодується генами pufA1 і pufA2 для внутрішнього та зовнішнього кілець відповідно. Попри те, що для генів pufB та pufA1 було знайдено гомологи в протеобактерій, ген pufA2 був лише віддалено пов’язаний із генами цих бактерій. Оскільки для синтезу зовнішнього кільця світлозбиральних субодиниць потрібен лише один додатковий ген, pufA2, можна зробити висновок, що G. phototrophica розробили унікальну стратегію для збільшення потужності збирання світла від одного фотосинтетичного комплексу. З огляду на те, що в протеобактерій не було знайдено гомологів pufA2, схоже, що еволюція фотосинтетичного комплексу відбулася лише після того, як представники відділу Gemmatimonadota запозичили в протеобактерій гени фотосинтезу за допомогою горизонтального перенесення генів.

До того ж 3D-моделювання показало унікальне розташування ліпідних мереж та стабілізуючих зовнішніх мембранних поліпептидів, що відрізняє фотосинтетичний комплекс G. phototrophica від усіх наразі відомих комплексів протеобактерій. Хоча формування цього комплексу вимагає великих затрат енергії, це може бути компенсовано його надзвичайною стабільністю. Тому висока стабільність фотосинтетичного комплексу, ймовірно, є еволюційною перевагою.

гетеротрофів
Організми-гетеротрофи не в змозі синтезувати необхідні органічні сполуки з неорганічних і тому повинні отримувати поживні речовини від інших організмів.
фототрофи
Організми-фототрофи можуть самостійно синтезувати органічні речовини, використовуючи неорганічні джерела та енергію сонячного світла, в процесі фотосинтезу.