26.11.2013

Сборку фотосинтетических станков цианобактерий сняли на видео

Сине-зелёные водоросли внутри себя держат ферментную смесь для образования фотосинтетических установок-карбоксисом. От этой смеси специальные белки, как от куска теста, отщепляют небольшие фрагменты и придают им форму зрелых карбоксисом.

Цианобактерии, как вы помните, откликаются также на имя «сине-зелёные водоросли» — и по крайней мере в одном они своё двойное название оправдывают: как и водоросли, эти бактерии способны к фотосинтезу, то есть могут фиксировать углерод, переводя его из углекислого газа в форму биологических макромолекул. Ферменты, которые этим занимаются, у цианобактерий заключены в особые структуры, называемые карбоксисомами, однако назвать их такими же органеллами, как хлоропласты растений, было бы ошибкой: хлоропласты построены с помощью мембран, а у цианобактерий, как вообще у всяких бактерий, мембранных органелл нет.

Все внутриклеточные компоненты, включая ДНК, свободно плавают внутри бактерий, не сдерживаемые мембранными преградами. Однако в некоторых случаях какие-то процессы внутри бактериальной клетки всё же объединяются в некое подобие органеллы, когда некоторые ферменты собираются в крупный комплекс и не покидают его для большей эффективности реакций. Карбоксисомы цианобактерий как раз и являются такими «псевдоорганеллами».

Внешне карбоксисомы напоминают вирусные многогранники — это икосаэдроподобные тела, поверхность которых поделена примерно на два десятка треугольных граней. В них много рибулозобисфосфаткарбоксилазы — одного из главнейших ферментов фотосинтеза: в карбоксисомах концентрируется углекислый газ, чтобы фермент работал быстрее, и своевременно удаляется образующийся кислород, который подавляет работу фермента.

Хотя и цианобактерии, и их карбоксисомы известны давно, тут ещё много белых пятен: так, исследователи до сих пор плохо представляют, как эти «органы фотосинтеза» собираются внутри бактериальных клеток. Выяснить это попробовали учёные из Объединённого геномного института и Калифорнийского института в Беркли (оба — США). Для начала Шерил Керфелд (Cheryl Kerfeld) и её сотрудники выключали у цианобактерий Synechococcus cyanobacterium комплекс генов, отвечающий за формирование карбоксисом. Такие мутанты выживали только при большой концентрации углекислого газа в среде, так как не могли сами концентрировать его, чтобы фотосинтетический фермент работал как надо.

После этого в мутантные клетки поодиночке вносили белки, кодируемые выключенными генами; эти белки были снабжены флюоресцентной меткой, чтобы можно было следить за их перемещениями внутри клетки. С помощью специального микроскопа учёным удалось снять видео с процессом сборки «фотосинтетических станков» цианобактерий и одновременно с помощью обычного электронного микроскопа сделать фотографии «полуфабрикатов» — карбоксисом в промежуточном, полусобранном состоянии.

Оказалось, что, в отличие от хлоропластов, у карбоксисом формируется сначала внутренняя часть, которая потом одевается в белковую оболочку, тогда как у хлоропластов мембраны наполняются фотосинтезирующим содержимым. Карбоксисомы образуются в определённом месте клетки, где происходит сборка ферментного аппарата; потом кусок этого агрегата с помощью оболочечных белков отщепляется и отправляется в другое место в клетке. В статье в Cell авторы высказывают мнение, что подобным образом могут собираться и другие клеточные микрокомпартменты, не только фотосинтезирующие карбоксисомы.

Следует подчеркнуть, что эта работа была выполнена вживую, на живых функционирующих клетках: понятно, что в этом случае наши сведения о том, как происходит фотосинтез у цианобактерий, больше соответствуют реальности. Возможно, эти сведения помогут создать искусственный аналог карбоксисом — что-то вроде искусственных фотосинтетических нанореакторов, которые смогут поглощать углекислый газ и создавать углеводы не хуже настоящих бактериальных клеток.

Кирилл Стасевич

Источники:

1. compulenta.computerra.ru