Forskare har avslöjat invecklade strukturella förändringar i växter, svampar och bakterier som svar på ljus, enligt en ny studie som publicerades idag i open-access journal eLife .

Fynden ger ny inblick i funktionen hos proteinmolekyler som kallas fytokromer som finns i dessa tre typer av organismer. Resultaten kan leda till verktyg som styr fytokromers funktion för att uppnå effektivare tillväxtmönster i växter och grödor.

Växter anpassar sig ständigt till ljusförändringar och styr deras tillväxtmönster efter ljustillgänglighet. De uppnår detta genom fytokromer, ursprunget för ljusdetektering i all vegetation på jorden. Fytokromer kan anta två olika former beroende på vilket ljus som finns. För att uppnå denna förändring i form, en kaskad av signaler inträffar från kromoforen - den punkt inom fytokromet där ljus absorberas.

"Fytokromet tillåter organismer att skilja mellan två färger av ljus, ge växter, svampar och bakterier primitiv tvåfärgssyn, "förklarar huvudförfattaren Elin Claesson, doktorand vid Göteborgs universitet, Sverige. "Nyckeln till dess funktion är det första svaret på ljus, där ljussignalen översätts till strukturella förändringar under en bråkdel av en sekund. De mekanismer som tillåter denna översättning är dåligt förstådda, eftersom tekniken för att studera fytokromer direkt efter att ljuset når dem inte tidigare har varit tillgänglig. "

För att åtgärda detta gap, laget som leds av Sebastian Westenhoff, Professor vid Institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet, och Marius Schmidt, Professor vid fysiska institutionen, University of Wisconsin-Milwaukee, USA, använde en ny röntgenlaser som kan ta bilder av proteiner på atomnivå var 10 femtosekund (en kvadriljondel av en sekund). Detta gjorde det möjligt för dem att avslöja rörelsen för varje atomkomponent i fytokromproteinet och sammanfoga kaskaden av händelser som utlöser tillväxt som svar på ljus.

Teamet hittade förvånansvärt stora omläggningar av kromoforen och dess omgivande proteinstrukturer omedelbart efter ljusabsorption. De observerade vridningen av en del av kromoforen kallad D-ringen, vilket i sin tur orsakar förskjutning av de närliggande ringarna samt förändringar av atomer runt kromoforen. Förvånande, de upptäckte också frisläppandet av en vattenmolekyl, kallas pyrrolvatten, som finns på samma plats i fytokromer över alla organismer.

"Dessa fynd visar att det första svaret på ljus är mycket kollektivt och att många delar av kromoforen och fytokromproteinet spelar en viktig roll, "avslutar seniorförfattaren Sebastian Westenhoff." Vår studie bekräftar en tidigare arbetsmodell för D-ringens vridningsrörelse och föreslår att pyrrolvattenmolekylen också är viktig i denna process. Vi föreslår att båda kemiska händelserna fungerar tillsammans så att fytokromproteiner kan översätta ljus till strukturella signaler, vägledande tillväxt och utveckling av växter, svampar och bakterier på jorden. "