Figur 1:En kryo-elektronmikroskopi densitetskarta över Acaryochloris småbåtshamn fotosystem I avslöjar strukturella element som gör att det kan omvandla lågenergiljus till kemisk energi. Kredit:Ändrad från Ref. 1 och licensierad under CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/] © 2021 T. Hamaguchi, K. Kawakami et al .
En högupplöst strukturell analys av RIKENs biokemister av fotosystem I, som innehåller klorofyll d och feofytin a, de ljusabsorberande pigmenten som finns i en marin bakterie, kan hjälpa forskare att upptäcka hur mikroben överlever i lågenergiljusförhållandena i djuphavet.
I fotosyntesen, växter, alger och vissa bakterier utnyttjar energi från solljus för att skapa syre och kolhydrater från koldioxid och vatten. Klorofyll, pigmentet som ansvarar för att ge växterna sin gröna färg, spelar en viktig roll för att absorbera solljus och omvandla det till en användbar form av kemisk energi.
Forskare brukade tro att fotosystem I, membranproteinkomplexet som finns i alla aeroba organismer, använde en form av klorofyll som kallas klorofyll a för fotosyntes. Men det förändrades när en marin cyanobakterie upptäcktes på 1990-talet som använder en annan form av klorofyll; Acaryochloris marina använder klorofyll d för att utnyttja långt röda våglängder av ljus, vars energi tidigare ansågs vara för låg för att vara användbar för typiska organismer.
"Hur A. marina använder lågenergiljus för fotosyntes har varit en långvarig fråga, " noterar Koji Yonekura, som leder Biostructural Mechanism Group vid RIKEN SPring-8 Center.
Nu, Tasuku Hamaguchi, Keisuke Kawakami, Yonekura och deras kollegor har belyst denna fråga genom att analysera strukturen av fotosystem I reaktionscentrum - den del av klorofyll som omvandlar solljus till en form av kemisk energi som kan användas av resten av fotosyntesmaskineriet - av klorofyll d i A. marina (fig. 1). De insåg detta genom att använda kryo-elektronmikroskopi med en högre upplösning än vad som har använts för att titta på dessa proteinkomplex tidigare.
Forskarnas analys avslöjade att ett av ljusskördande pigment är feofytin a, ett metallfritt klor som skiljer sig från andra typ I-reaktionscentra. Denna utsökta kombination av feofytin a och klorofyll d hjälper till att förklara några sätt att cyanobakterien effektivt kan utnyttja den låga energin hos långt rött ljus för fotosyntes.
Teamets resultat kan hjälpa oss att bättre förstå hur fotosyntetiska organismer kan överleva i extremt svaga ljusmiljöer, både här på jorden och potentiellt bortom. A. marina finns i områden med extremt svagt ljus i havet, och det är möjligt att liv bortom jorden kan existera i liknande miljöer med svagt ljus.
Forskarna insåg den oöverträffade upplösningen i denna studie genom att använda en kryogen elektronmikroskopi som producerar överlägsna högupplösta bilder med en mycket koherent elektronstråle.
Teamet har för avsikt att fortsätta sin forskning om denna mystiska organism och dess metod att omvandla ljus till kemisk energi. De använder också samma teknik för att undersöka andra biologiska makromolekyler. "Vi utför högupplöst enpartikelkryogen elektronmikroskopi av andra biologiskt viktiga mål, säger Yonekura.
