Фотосинтез — удивительный природный механизм, который превращает солнечный свет в химическую энергию и выделяет кислород. Это не просто основа жизни на Земле, но и источник вдохновения для ученых, пытающихся воссоздать его искусственно. Уже несколько десятилетий исследователи разрабатывают технологии, имитирующие фотосинтез, чтобы получать экологичное топливо, например водород. Ключ к успеху — понять, как растения улавливают и преобразуют свет.

Недавно группа ученых из Университета Окаямы (Япония) под руководством Романа Ла Рокка, Фусамити Акиты и Цзянь-Жэнь Шена изучила фотосинтетический комплекс морской водоросли Chrysotila roscoffensis. Эти водоросли, кокколитофориды, играют важную роль в океане: они поглощают углекислый газ и создают карбонат кальция.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрыло уникальное строение светособирающего аппарата водоросли и объяснило, как она эффективно захватывает и передает энергию.

Морские водоросли, особенно гаптофиты, — основа океанической экосистемы. Они составляют до половины биомассы океана и участвуют в глобальном углеродном цикле.

Но до сих пор их фотосинтетические механизмы оставались малоизученными.

Фотосинтез происходит в двух белково-пигментных комплексах:

• Фотосистема II (ФСII) — запускает процесс, расщепляя воду на кислород, протоны и электроны под действием света.
• Фотосистема I (ФСI) — использует электроны от ФСII, чтобы синтезировать сахара.

ФСII находится в мембранах хлоропластов и состоит из антенных белков, улавливающих свет, и реакционного центра, где происходит расщепление воды. Ученые применили криоэлектронную микроскопию с рекордным разрешением 2,2 Å и смогли детально рассмотреть структуру ФСII и связанных с ней светособирающих белков (FCPII) у Chrysotila roscoffensis.

Это первая подобная модель для гаптофитов, — объясняет Ла Рокка. — Антенные белки расположены не так, как у других водорослей, что говорит об их адаптации к морской среде.

В структуре обнаружилось шесть FCPII-комплексов на каждый мономер ФСII. Один из них, FCPII-2, оказался ключевым: он принимает энергию от соседних антенн и передает ее в реакционный центр. В нем много фукоксантина — пигмента, который не только эффективно поглощает свет, но и защищает клетку от его избытка.

Также ученые впервые определили структуру и последовательность белка Psb36, который связывает антенны с реакционным центром. Ранее его находили у диатомовых и красных водорослей, но расшифровать удалось только сейчас.

Это исследование не только углубляет понимание фотосинтеза, но и приближает создание искусственных систем для улавливания света.

Эти водоросли невероятно эффективны, — говорит Шэнь. — Если мы поймем, как устроены их фотосистемы, то сможем повторить это в лаборатории.

Три ключевых преимущества:

1. Понимание эволюции фотосинтеза — уникальное строение антенных белков у гаптофитов показывает, как организмы адаптируются к разным условиям освещения.
2. Биотехнологический потенциал — знание структуры FCPII поможет создать более эффективные искусственные светособирающие системы для производства водорода или других видов топлива.
3. Экологический вклад — кокколитофориды влияют на углеродный цикл океана, и их изучение важно для климатических моделей.

Хотя работа проделана блестяще, остается вопрос: насколько универсальны эти данные? Гаптофиты — лишь одна группа водорослей, и их механизмы могут отличаться даже у близких видов. Нужны дополнительные исследования.

Ранее ученые обнаружили в фотосинтезе элементы квантовой механики.