Ett team av forskare från ASU:s School of Molecular Sciences och Pennsylvania State University har tagit oss ett steg närmare för att låsa upp fotosyntesens hemligheter, och möjligen till renare bränslen.

Deras upptäckt publicerades nyligen online i Vetenskap och beskriver strukturen hos ett reaktionscentrum (från en heliobakterie) som bevarar egenskaperna hos den förfäderna, och ger sålunda ny inblick i fotosyntesens utveckling.

Fotosyntes är den viktigaste biologiska processen som driver biosfären. Det utnyttjar energin från solljus, och ger oss våra viktigaste källor till mat och bränsle. Studien av fotosyntes har gjort det möjligt för forskare att inte bara förstå det invecklade i hur organismer använder ljus för att driva deras ämnesomsättning, men har också banat väg för tekniska framsteg inom hållbara energikällor.

"Den fotosyntetiska processen uppstod för ungefär tre miljarder år sedan, innan jordens atmosfär innehöll syre, sa Kevin Redding, en professor vid School of Molecular Sciences i College of Liberal Arts and Sciences, vars grupp leder forskningen vid ASU. "Fotosyntesen fungerar med hjälp av specialiserade membranproteiner, kallas fotosyntetiska reaktionscentra, som samlar energi från ljus och använder den för att pumpa elektroner över ett biologiskt membran från en cellelektronbärare till en annan, vilket resulterar i omvandling av elektromagnetisk (dvs. ljus) energi till kemisk energi, som organismen kan använda. "

Mycket forskning har fastställt att dessa reaktionscentra uppträdde bara en gång på planeten, och har sedan dess diversifierats för att utföra olika slags kemi.

Trots diversifieringen, reaktionscentra behåller samma övergripande arkitektur, återspeglar deras gemensamma ursprung. Under de senaste 3 miljarder åren har dessa proteiner utvecklats och förändrats och det har varit svårt att rekonstruera vad som hände under denna enorma tid. Dock, vi vet att en av dem utvecklade förmågan att oxidera vatten, frigör syre. Detta förändrade världen oåterkalleligt, och tillåts för livet som vi känner det idag.

Teamet tror att det första reaktionscentret (RC) var mycket enklare än de versioner som finns idag. När det gäller proteinstrukturen, det var en homodimer - det vill säga två kopior av samma polypeptid kom samman för att bilda en symmetrisk struktur. De reaktionscentra vars strukturer vi känner till är alla heterodimerer där denna inneboende symmetri har brutits, även om de i sitt hjärta fortfarande behåller resterna av den ursprungliga symmetriska arkitekturen.

Heliobakterien i artikeln i Vetenskap är medlem i den mest primitiva av de fotosyntetiska bakterierna, bakterier som inte producerar syre - faktiskt de är helt intoleranta mot syre, som de första organismerna. De kan inte heller fixera koldioxid från atmosfären och måste använda organiska kolkällor. Viktigt för denna studie, deras RC är en homodimer.

Således, detta är den första homodimera RC -strukturen och den belyser på flera sätt hur förfädernas RC kan ha sett ut. På flera sätt är den övergripande arkitekturen för proteinet mycket lik fotosystemen av växter och cyanobakterier och RC för de lila svavelbakterierna. Dock, byggt på den gemensamma arkitekturen är några avgörande kemiska skillnader som resulterar i kemi som skiljer sig från den hos de kända RC:erna, inklusive deras förmåga att använda både vattenlösliga och lipidlösliga bärare, en förmåga som tidigare tros vara begränsad till en eller annan typ av RC.

Detta arbete är resultatet av ett samarbete mellan Kevin Redding, Raimund Fromme, docent vid skolan för molekylära vetenskaper och forskare vid Biodesign Institute's Center for Applied Strukturell biologi, och John Golbeck från Pennsylvania State University.

Redding och Golbeck hade beslutat för 8 år sedan att gå samman för att ta itu med den heliobakteriella RC. De kombinerade sina individuella anslag för energibidrag till ett gemensamt bidrag, som sedan har förnyats två gånger:den tredje iterationen började för ett år sedan. Fromme gick officiellt med i gruppen för cirka 4 år sedan, även om han tidigare hade arbetat med kristallografi av RC med Iosifina Sarrou, en postdoktor i Redding -gruppen som hade optimerat dess rening. Arbetet tog verkligen fart när Christopher Gisriel, en doktorand i gruppen Redding, började arbeta med Fromme för att kristallisera RC.

"Jag berömmer Chris och Raimund med att göra det som var nödvändigt för att få denna struktur, sa Redding, som också är chef för ASU:s centrum för bioenergi och fotosyntes.

"Raimunds expertis inom kristallisering av membranproteiner och lösningen av deras struktur var avgörande. Chris gjorde det mycket hårda arbetet med att förbättra reningen, optimera kristallisationsförhållandena, och tog sina kristaller till strålen flera gånger. Och eftersom proteinet i sig är syrekänsligt, han var tvungen att göra all rening och kristallisering i en handskfack! "

"Detta är det ögonblick en kristallograf väntar på, sa Fromme, förklarar de år det kan ta att odla den perfekta proteinkristallen som är lämplig för röntgenstudier.

Redding fortsatte, "De kunde få diffraktionskvaliteten från en upplösning på ~ 10 Å till 2-2,5 Å på några års mycket hårt arbete ... och sedan kom den herkuliska uppgiften att lösa strukturen. Chris började med en mycket avskalad modell av hur RC kan se ut, baserat på förväntade likheter med det cyanobakteriella fotosystemet I, och arbetade sedan konstant med det i månader. Han var tvungen att lära sig ny mjukvara och arbeta långa nätter för att komma dit. En gång hade han något som såg riktigt ut, Raimund kunde ta det och skjuta det till nästa nivå. Och tillsammans har de skapat en verkligt vacker struktur med mycket hög upplösning. "

"Chris är en veteran från den amerikanska armén, efter att ha tjänstgjort i Afghanistan, "Redding sa." Han kom till ASU som biokemi och började arbeta i mitt labb som forskare. Har aldrig på allvar övervägt möjligheten till en karriär inom forskning tidigare, han var först osäker på hur långt han ville gå den här vägen. Dock, han utvecklade snart en smak för det, och drev mig sedan att låta honom ta på sig RC -kristallografiprojektet som en masterstudent. Jag varnade honom för det, att veta hur svårt det skulle vara och de låga chanserna att lyckas, men han fortsatte, och jag slutade så småningom. Senare bestämde han sig för att doktorera. Han kommer att försvara sin avhandling senare denna termin och jag kunde inte vara stoltare över honom. "

"Detta reaktionscentrum finns bara i organismer som kan leva i syrefria miljöer, som den tidiga jorden, "Gisriel sa." Detta arbete har öppnat dörren för forskare över hela världen att jämföra det primitiva reaktionscentrets egenskaper med de av mer avancerade reaktionscentra som finns i syre-toleranta organismer. Som ett resultat, vi får en mer tydlig och informerad bild av hur naturen optimerade ljusdriven energiinsamling. "