Biofyzici přispěli k výzkumu proteinového superkomplexu rostlin v 3D s vysokým rozlišením

3D model superkomplexu fotosystému II získaný pomocí metody kryogenní elektronové mikroskopie
Zdroj: van Bezouwen et al. (2017) Nature Plants 3:17080
pátek 3. listopadu 2017, 08:00 - Text: Martina Šaradínová

První trojdimenzionální model největšího stabilního superkomplexu fotosystému II, navíc v unikátním rozlišení, přinesl mezinárodní výzkum, na němž se kromě vědců z Nizozemska a Francie podíleli i zástupci olomouckého Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Roman Kouřil a Ravindra S. Kale. Výsledek jejich zhruba dvouleté práce nedávno publikoval prestižní časopis Nature Plants. Znalost struktury fotosystému II je klíčová nejen pro pochopení mechanismů přenosu absorbovaného slunečního světla a jeho využití ve fotosyntéze, ale také například pro porozumění aklimační strategie rostlin vystavených měnícím se světelným podmínkám.

Odborníci ke studiu využili kromě klasické transmisní elektronové mikroskopie také kryogenní elektronovou mikroskopii, za jejíž vývoj byla letos udělena Nobelova cena v oboru chemie. Právě technologický vývoj v této oblasti umožňuje vědcům studovat velké proteinové superkomplexy v 3D s atomárním rozlišením. Nespornou výhodou kryogenní elektronové mikroskopie je to, že k vysokému rozlišení nemusí být zkoumaný proteinový komplex ve formě krystalu, jak je tomu v případě běžné rentgenové strukturní analýzy.

„Naše práce je první studie největšího superkomplexu fotosystému II v 3D při tak vysokém rozlišení. Navázali jsme na náš výzkum z roku 2009, kdy jsme postupovali klasickou metodou elektronové mikroskopie a získali 2D strukturu s rozlišením 12 angströmů, tedy 1,2 nanometru. Měli jsme ambici posunout se dál. Díky zdokonalené metodě kryogenní elektronové mikroskopie jsme nyní dosáhli v 3D rozlišení 5,3 angströmů, což bylo i pro nás velké překvapení,“ uvedl biofyzik Roman Kouřil.

Podle něj se v posledních letech touto oblastí výzkumu zabývá stále více týmů ve světě a snaží se posunout hranice ještě více. Obrovský „boom“ v kryogenní elektronové mikroskopii nastal po zavedení nového typu detektorů elektronů v letech 2012-2013, díky nimž je detekce mnohem rychlejší a citlivější.

Superkomplex  fotosystému II se skládá z jádra, jehož struktura je obdobná u všech fotosyntetizujících organismů. U rostlin se k tomuto jádru váže celá řada specifických anténních komplexů, které absorbují světlo. „Otázkou je, proč rostliny mají právě takové uspořádání světlosběrného anténního komplexu a jakou roli hrají jeho jednotlivé součásti. Díky základnímu výzkumu získáváme informace o tom, jakým způsobem je absorbovaná světelná energie přenášena do jádra a reakčního centra fotosystému. Detailní znalost organizace pigmentů v anténních komplexech je velmi důležitá pro pochopení toho, jak fotosystém dovede světelnou energii správně využít, nebo – pokud je jí nadbytek – jak se jí dokáže bezpečně zbavit,“ objasnil Kouřil.  Spolu s kolegy navíc přispěli k objasnění specifických vlastností superkomplexu, a to zejména flexibility anténního fotosystému superkomplexu.

Experimentální práce byla provedena převážně v Nizozemí v národním mikroskopickém centru NeCEN a na Univerzitě v Groningenu, kde Roman Kouřil devět let působil jako postdoc. I po návratu na Univerzitu Palackého v Olomouci udržuje s tamními kolegy spolupráci. Například před třemi lety společně provedli strukturní charakterizaci dalšího z proteinových superkomplexů, fotosystému I – NAD(P)H dehydrogenázy, který patří k důležitým funkčním jednotkám fotosyntetického aparátu rostlin.