Wykorzystując możliwości kriomikroskopu elektronowego w Centrum SOLARIS, naukowcy badali mechanizm, dzięki któremu rośliny wykorzystują energię świetlną do wzrostu, czyli fotosyntezy. Cytochrom b6f, bo tak nazywa się badany kompleks białkowy, jest swoistego rodzaju ramą spajającą ważne dla fotosyntezy elementy, a także łącznikiem pozwalającym przekazywać elektrony pomiędzy tymi elementami. Podczas badań mikroskopowych udało się zebrać dane, które pozwoliły wygenerować dwa bardzo dokładne modele atomowe kompleksu b6f, jego trójwymiarową mapę. Pierwszy z nich pokazywał dokładnie cały kompleks wraz z dodatkowym, dynamicznym fragmentem. Drugi natomiast – obecnie najdokładniejszy na świecie - przedstawiał model samego cytochromu b6f. Będzie on źródłem cennych informacji potrzebnych do dalszych badań innymi niż kriomikroskopia technikami. W dalszej perspektywie pozwoli niezwykle precyzyjnie ocenić co ma wpływ na wydajność reakcji fotosyntezy przebiegającej w roślinach.

Cytochrom b₆f

Białko to pełni funkcję nośnika elektronu między plastochinonem a plastocyjaniną łącząc inne ważne kompleksy białkowe – fotosystemy w funkcjonalną całość. Dzięki współpracy naukowców z Zakładu Biofizyki Molekularnej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii (WBBiB) oraz grupy Maxa Plancka Małopolskiego Centrum Biotechnologii (MCB) Uniwersytetu Jagiellońskiego struktury zostały opublikowane w najnowszym numerze „Science Advances”.

Kompleks i uzyskane struktury

Pierwsza ze struktur (o rozdzielczości 2,7 Å) pokazuje, w jaki sposób plastocyjanina przyłącza się do dimerycznego kompleksu, aby efektywnie odebrać elektron w trakcie reakcji katalitycznej. Co ciekawe, struktura pokazuje tylko jedną plastocjaninę przyłączoną do dimeru.  Druga struktura (o wyjątkowo wysokiej rozdzielczości 2,1 Å) identyfikuje szereg cząsteczek plastochinonu ułożonych w sposób sugerujący istnienie specyficznego kanału umożliwiającego przepływ cząsteczek tego związku przez centrum katalityczne. Co ciekawe, zarówno wejście, jak i wyjście tego kanału znajduje się w osobnych rejonach białka, co wskazuje na możliwość jednokierunkowego przepływu cząsteczek chinonu zachodzącego w płaszczyźnie równoległej do powierzchni błony, w czasie którego dochodzi do reakcji katalitycznej. Byłby to całkowicie nowy sposób oddziaływania białka z substratem, różniący się od dotychczas postulowanego modelu, w którym chinon opuszcza centrum katalityczne po reakcji wycofując się tym samym kanałem, którym uprzednio wszedł do centrum. Struktura uwidoczniła również, że cytochrom b₆f specyficznie oddziałuje z fosfoproteiną TSP9 – białkiem biorącym udział w regulacji procesu fotosyntezy w tylakoidach, ale dotąd nie rozważanym jako potencjalny partner cytochromu b₆f.

Ryc. 1. Budowa kompleksu Cytochrom b₆f – PC (plastocyanin). 

Znaczenie odkrycia

Dr hab. Marcin Sarewicz, pierwszy autor pracy, wyjaśnia: „Odkrycie tego oddziaływania rzuca nowe światło na temat sposobu, w jaki może dochodzić do regulacji procesu fotosyntezy na poziomie cytochromu b₆f z udziałem TSP9”. Prof. Artur Osyczka podsumowuje: „Nowe informacje, jakich dostarczyły opublikowane struktury, przyczynią się do głębszego zrozumienia molekularnych podstaw wydajności energetycznej fotosyntezy, stając się jednocześnie podstawą dalszych badań spektroskopowych”. Dr hab. Sebastian Glatt dodaje: „Szczególnie dlatego, że struktura o rozdzielczości 2,1Å jest obecnie najdokładniejszym modelem cytochromu b₆f uzyskanym dla roślin wyższych. Także, ze względu na wyjątkowo wysoką rozdzielczość, struktury dostarczą modeli do dokonywania obliczeń kwantowo-mechanicznych celem dalszego zrozumienia fizyko-chemicznych podstaw kluczowych reakcji fotosyntezy katalizowanych przez cytochrom b₆f.”

Cała publikacja dostępna w Science Advances:

M. Sarewicz et al., High-Resolution Cryo-EM Structures of Plant Cytochrome b₆f at Work, Sci Adv 9, eadd9688 (2023)

Próbki białkowe zostały wyizolowane i scharakteryzowane biochemicznie na WBBiB. Próbki do analizy strukturalnej zostały przygotowane w Laboratorium Biologii Strukturalnej MCB, a dane strukturalne zostały zebrane przy użyciu mikroskopu elektronowego Titan Krios G3i w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Projekt był finansowany ze środków przyznanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej (grant TEAM kierowany przez A. Osyczkę, oraz TEAM TECH Core Facility kierowany przez S. Glatta).