Международная группа ученых описала ранее неизвестную фотосинтетическую систему, обнаруженную у бактерий Gemmatimonas phototrophica из азиатской пустыни. Как показали опыты, в процессе эволюции бактериям удалось модифицировать заимствованную у других бактерий фотосинтетическую систему, благодаря чему увеличилась эффективность улавливания и передачи солнечной энергии во время фотосинтеза. Исследование строения и функционирования нового для науки фотосинтетического комплекса учёные обнародовали в Science Advances.

Как бактерия переняла необходимые для фотосинтеза гены?

Фотосинтез – это биологический процесс, заключающийся в превращении энергии солнечного излучения в привычную, в частности для нас, гетеротрофов, энергию химических связей. Процесс осуществляется с участием фотосинтетических пигментов, к выработке которых способны исключительно фототрофы (например, бактерии, водоросли и растения). В основе сравнительно простого фотосинтетического аппарата фототрофных бактерий находятся пигменты, такие как бактериохлорофиллы, по своим функциям подобные хлорофиллам растений.

Среди семи известных типов бактерий, в которые входят фототрофы, тип Gemmatimonadota стоит особого внимания. Первый фототрофный представитель этого типа Gemmatimonas phototrophica, выделенный из пресноводного озера в пустыне Гоби. Этот медленно растущий микроаэрофил получил полный пакет генов, необходимых для фотосинтеза путем удаленного горизонтального переноса генов от древней фототрофной протеобактерии. Учитывая отсутствие целостного представления об эволюции фотосинтеза ученые из Великобритании, Дании, Нидерландов, Чехии и Швейцарии решили исследовать заимствованный таким образом фотосинтетический аппарат G. phototrophica.

Как исследовали заимствованный фотосинтетический аппарат?

Клетки G. phototrophica сначала культивировали в микроаэрофильных условиях (10 процентов кислорода + 90 процентов азота) при температуре 28 градусов Цельсия во тьме в течение двух недель, чтобы максимизировать экспрессию фотосинтетических комплексов. В то же время, были идентифицированы все гены, кодирующие субъединицы комплексов фотосинтетического аппарата G. phototrophica. Культивированные клетки гомогенизировали, а фотосинтетические комплексы тщательно очистили от посторонних примесей с помощью стандартных методов молекулярной биологии – спектрофотометрического, электрофоретического, хроматографического и т.п.

После этого структуру очищенных фотосинтетических комплексов изучали методом криоэлектронной микроскопии (или крио-ЭМ), где образец предварительно охлаждали до температуры жидкого азота. Полученные после криоэлектронной микроскопии изображения фотосинтетических комплексов анализировали с помощью нейронной сети и подвергали 3D-моделированию.

Какие особенности строения фотосинтетических комплексов бактерии?

С помощью изображений крио-ЭМ группа ученых заключила, что полученные фотосинтетические комплексы намного больше (примерно 20 нанометров), чем описанные ранее подобные комплексы протеобактерий диаметром примерно 16 нанометров. Кроме того, заимствованные от протеобактерий фотосинтетические комплексы имели несколько модифицированную структуру. Они состояли из центрального реакционного центра и внутреннего кольца светоуборочных субъединиц, подобных таковым у протеобактерий, а также имели новый тип наружного кольца.

Ученые выяснили, что у G. phototrophica один и тот же ген pufB кодирует лишь часть субъединиц для обоих колец, тогда как другая часть субъединиц кодируется генами pufA1 и pufA2 для внутреннего и внешнего колец соответственно. Несмотря на то, что для генов pufB и pufA1 были найдены гомологи в протеобактериях, ген pufA2 был только отдаленно связан с генами этих бактерий. Поскольку для синтеза внешнего кольца светоуборочных субъединиц нужен только один дополнительный ген, pufA2, можно заключить, что G. phototrophica разработали уникальную стратегию для увеличения мощности уборки света от одного фотосинтетического комплекса. Учитывая, что у протеобактерий не были найдены гомологи pufA2, похоже, что эволюция фотосинтетического комплекса произошла лишь после того, как представители типа Gemmatimonadota позаимствовали у протеобактерий гены фотосинтеза посредством горизонтального переноса генов.

К тому же 3D-моделирование показало уникальное расположение липидных сетей и стабилизирующих внешних мембранных полипептидов, что отличает фотосинтетический комплекс G. phototrophica от всех известных комплексов протеобактерий. Хотя формирование этого комплекса требует больших затрат энергии, это может быть компенсировано его чрезвычайной стабильностью. Поэтому высокая стабильность фотосинтетического комплекса, по всей вероятности, является эволюционным преимуществом.