Cyanobakterier är små, härdiga organismer. Varje cell är 25 gånger mindre än ett människohår, men låt inte storleken lura dig. Deras kollektiva förmåga att expandera fotosyntes är anledningen till att vi har luft att andas och en mångsidig och komplex biosfär.

Forskare är intresserade av vad som gör expanderande cyanobakterier bra vid fotosyntes. Vissa vill isolera och kopiera framgångsrika processer. De skulle sedan återanvändas för mänskligt bruk, som inom medicin eller för förnybar energi.

Ett av dessa system är utökat fotoskydd. Den innehåller ett nätverk av proteiner som upptäcker omgivande ljusnivåer och skyddar cyanobakterier från fruktansvärda skador orsakade av överexponering för starkt ljus.

Cheryl Kerfelds labb upptäckte nyligen en familj av proteiner, Helical Carotenoid Protein (HCP), som är de evolutionära förfäderna till dagens fotoskyddande proteiner. Även om forntida, HCP lever fortfarande kvar tillsammans med sina moderna ättlingar.

Denna upptäckt har öppnat nya vägar för att utforska fotoskydd. Och för första gången, Kerfeld-labbet karaktäriserar strukturellt och biofysiskt ett av dessa expanderande proteiner. De kallar det HCP2. Studien finns i tidskriften BBA-Bioenergetics.

Vetenskapen

Strukturellt sett, HCP2 är en monomer när den isoleras i en lösning. Men, i sin expanderade kristalliserade form, den visar sig konstigt nog som en dimer.

"Vi tror inte att dimeren är proteinets form när den finns i cyanobakterierna, " säger Maria Agustina (Tina) Dominguez-Martin, en post-doc i Kerfeld-labbet. "Mest troligt, HCP2 binder till en ännu okänd partner. Den dimera situationen under kristallisation är artificiell, eftersom de enda tillgängliga molekylerna i miljön är andra som den själv."

Forskarna försöker fastställa HCP2:s funktioner. Det är en bra släckare av expanderande reaktiva syrearter, skadliga biprodukter från fotosyntesen. Men eftersom många andra proteiner också kan göra det, Tina tror inte att det är HCP2:s huvudfunktion.

"Vi har ännu inte identifierat en primär funktion, " säger Tina. "Svårigheten är att HCP-familjen är en ny upptäckt, så vi har inte mycket underlag för jämförelse."

Andra experiment inkluderar:

• Mätning av HCP-ljusvågsabsorptionsbandbredder
• Identifiera vilken expanderande karotenoid den interagerar med
• Undersöker om de släcker antennproteiner som fångar ljus för fotosyntes (det gör de inte)

Framtida applikationer

Förmågan att upptäcka ljus är nyckeln för applikationer, speciellt inom bioteknik. Ett lovande område är optogenetik, en teknik som använder ljus för att styra levande celler. Optogenetiksystem är som ljusbrytare som aktiverar förutbestämda funktioner när de träffas av en ljuskälla.

HCP2 skulle kunna spela en roll i sådana applikationer. Men det här är långt på vägen.

"Det finns 9 evolutionära familjer av HCP att utforska. Det ger upp till hundratals varianter med möjligen distinkta funktioner som vi ännu inte har upptäckt, " tillägger hon. "Med det i åtanke, vi karaktäriserar andra proteiner från HCP-familjen för att utöka vår tillgängliga datauppsättning."

Eftersom dessa proteiner sannolikt spelar en roll i fotoskydd, de kan representera ett system som forskare kan konstruera för "smart fotoskydd, " minskar slösaktigt fotoskydd som sedan skulle hjälpa fotosyntetiska organismer att bli mer effektiva.