А потом был свет...
Свет обеспечивает энергию, необходимую растениям и другим фотосинтезирующим организмам, что в конечном итоге дает метаболиты, которые питают все другие организмы на планете. Растения также полагаются на легкие сигналы для развития своих фотосинтетических механизмов и для синхронизации своих жизненных циклов с ежедневными и сезонными ритмами.
Например, пути фоторецепторов в растениях позволяют им определять, насколько глубоко семена находятся в почве, «измерять» убывающие часы дневного света и изменять развитие растения, чтобы подготовить его к началу лета или началу зимы.
Новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе дает представление о том, как белки, называемые фитохромами, ощущают свет и способствуют росту растений.
«Фитохромы уникальны среди фоторецепторов, потому что они существуют в двух стабильных, но взаимопревращаемых состояниях: неактивная форма, которая синтезируется в темноте, и другая, которая требует света для активации», - сказал Ричард Д. Виерстра, профессор биологии Джорджа и Шармейн Маллинкродт в области искусства и науки. «Измеряя пропорции этих двух форм, когда они переворачиваются назад и вперед, фитохромы могут ощущать интенсивность света, продолжительность, цвет света и даже продолжительность дня. Чем отличаются эти темные и светлые формы, остается загадкой, несмотря на 60 лет исследований фоторецепторов».
Виерстра и его сотрудники преодолели серьезное препятствие на пути определения последовательности событий, которые поддерживают переход между адаптированными к свету и темноте состояниями.
Они обнаружили и охарактеризовали кристаллическую форму фоторецептора PixJ из цианобактерии Thermosynechococcus elongatus, которая обеспечивает обратимое фотопреобразование между активной и неактивной формами. Примечательно, что кристаллы сохраняют свою целостность в процессе фотопреобразования. Сет Бурги, научный сотрудник в области биологии в области искусств и наук и первый автор работы, смог собрать данные дифракции рентгеновских лучей с высоким разрешением, необходимые для идентификации промежуточных звеньев реакционного пути, используя сложную технику, называемую рентгеновской кристаллографией.
Теперь исследователи должны иметь возможность использовать недавно разработанные рентгеновские лазеры на свободных электронах для получения структурных снимков этого кристалла фитохрома, так как он первоначально поглощает свет через неактивный фоторецептор, когда он приобретает свое полностью зрелое активное состояние - процесс, который завершается в течение миллисекунды.
В предварительном тесте группа смогла увидеть первое подергивание фоторецептора как часть его хромофора, который улавливает энергию света, вращающуюся при фотоактивации.
«Другими словами, теперь должна быть возможность сделать молекулярное кино с атомным разрешением, которое очерчивает структурные переходы фоторецептора», - сказал Берги. «Сейчас мы находимся на пороге определения внутренних событий и последовательности физических изменений, которые происходят в фитохромах, когда они перемещаются между биологически неактивными и активными состояниями, что в конечном итоге поможет исследователям повозиться с растениями, чтобы повысить их урожайность и устойчивость».
Понимание структурных основ цикла фотопреобразования является важным шагом к разработке модифицированных фитохромов, которые наделяют сельскохозяйственные растения полезными светочувствительными свойствами, пишет Source.
«Кроме того, поскольку фитохромы воспринимают как свет, так и температуру, изменение функции фитохрома имеет большой потенциал для подгонки сельскохозяйственных культур, более приспособленных к конкретным условиям, и может помочь расширить ассортимент этих сельскохозяйственных культур», - сказал Виерстра.