Жасыл бактериялардағы хлоросомалардың құрылымы мен қасиеттері
Chlorosome
Хлорсома – жасыл бактериялардағы фотосинтез антеннасы. Жарық энергиясын тиімді жинап, қараңғы ортада өмір сүруге көмектеседі. Құрамында 250,000 хлорофилл молекуласы бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Хлоросома – жасыл күкірт бактерияларында (GSB) және көптеген жасыл күкіртсіз бактерияларда (GNsB) табылған фотосинтездік антенна кешені, олар жиынтығында жасыл бактериялар деп аталады. Олар басқа антенна кешендерінен үлкен мөлшерімен және фотосинтез пигменттерін қолдаушы ақуыздық матрицаның болмауымен ерекшеленеді. Жасыл күкірт бактериялары – әдетте, Қара теңіздің 100 метр тереңдігі сияқты өте төмен жарық жағдайында тіршілік ететін организмдер тобы. Бұл бактериялар үшін жарық энергиясын ұстап алып, оны қажетті жерге жылдам жеткізу мүмкіндігі маңызды, олардың кейбіреулері хлорофиллдің әрбір молекуласына күніне бірнеше фотон ғана көреді. Осы мақсатта бактериялар 250 000-ға дейін хлорофилл молекуласын қамтитын хлоросома құрылымдарын қамтиды. Хлоросомалар эллипсоид тәрізді денелер болып табылады, GSB-да олардың ұзындығы 100-200 нм, ені 50-100 нм және биіктігі 15-30 нм, ал GNsB-да хлоросомалар шамалы кішірек болады. Хлоросомалар – фотосинтездік бактерияларда (мысалы, қызғылт бактерияларда) кездесетін хроматофорлардың бір түрі.
A chlorosome is a photosynthetic antenna complex found in green sulfur bacteria (GSB) and many green non sulfur bacteria (GNsB), together known as green bacteria. They differ from other antenna complexes by their large size and lack of protein matrix supporting the photosynthetic pigments. Green sulfur bacteria are a group of organisms that generally live in extremely low light environments, such as at depths of 100 metres in the Black Sea. The ability to capture light energy and rapidly deliver it to where it needs to go is essential to these bacteria, some of which see only a few photons of light per chlorophyll per day. To achieve this, the bacteria contain chlorosome structures, which contain up to 250,000 chlorophyll molecules. Chlorosomes are ellipsoidal bodies, in GSB their length varies from 100 to 200 nm, width of 50 100 nm and height of 15 – 30 nm, in GNsB the chlorosomes are somewhat smaller. Chlorosomes are a type of chromatophores that are found in photosynthetic bacteria (e. g. purple bacteria).
Құрылымы
Хлоросомалардың пішіні түрлер арасында өзгеше болуы мүмкін, кейбір түрлерде эллипсоид пішіндес хлоросомалар, ал басқаларында конустық немесе дұрыс емес пішіндес хлоросомалар кездеседі. Жасыл күкірт бактерияларының ішінде хлоросомалар FMO белоктары және CsmA белоктарынан құралған хлоросома табаны арқылы жасуша мембранасындағы I типті реакциялық орталықтарға бекітіледі. Хлоросомалардың құрамы негізінен бактериохлорофиллден (BChl) тұрады, оған аз мөлшерде каротиноидтар мен хинондар қосылған, және олар галактолипид моноқабатымен қоршалған. Бұл пигменттер шамамен 10-30 нм енді ламелді құрылымдарға өздігінен жиналады. Жақында жасалған зерттеу көк күкірт бактерияларындағы бактериохлорофилл молекулаларының ұйымдасуын анықтады. Оларды зерттеу өте қиын болғандықтан, көк күкірт бактерияларындағы хлоросомалар ғалымдардың құрылымдық тұрғыдан сипаттаған соңғы жарық жинағыш кешендері болып табылады. Әрбір хлоросоманың ерекше ұйымдасуы бар, және құрамындағы осы айырмашылық ғалымдарға ішкі құрылымын сипаттау үшін рентгендік кристаллографияны қолдануға кедергі келтірді. Бұл мәселені шешу үшін команда әртүрлі тәжірибелік әдістерді пайдаланды. Ішкі құрылымы тұрақты мутант бактерияны жасау үшін генетикалық әдістер, хлоросома үшін қашықтық шектеулерін анықтау үшін криоэлектрондық микроскопия, хлоросоманың құрамындағы хлорофилл молекулаларының құрылымын анықтау үшін қатты күйдегі ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы және барлық мәліметтерді біріктіріп, хлоросоманың толық суретін жасау үшін модельдеу қолданылды. Мутантты жасау үшін эволюция барысында көк күкірт бактерияларына тән үш ген белсенділігінен айырылды. Осылайша, эволюциялық уақытқа кері оралып, жабайы түрге қарағанда айтарлықтай аз өзгермелі және жақсы реттелген хлоросома органеллалары бар аралық күйге қол жеткізуге мүмкіндік болды. Хлоросомалар бактерияның мутантты және жабайы түрлерінен бөліп алынды. Хлоросомалардың суреттерін алу үшін криоэлектрондық микроскопия қолданылды. Суреттер хлоросомалардың ішіндегі хлорофилл молекулаларының нанотүтік пішіндес екенін көрсетті. Содан кейін команда МАС ЯМР спектроскопиясын қолданып, хлоросома ішіндегі хлорофиллдің микроскопиялық орналасуын анықтады. Қашықтық шектеулері мен DFT сақиналық тогын талдау нәтижесінде ұйымдасудың бірегей син-анти мономерлік үйілуден тұратыны анықталды. ЯМР, криоэлектрондық микроскопия және модельдеудің үйлесімі ғалымдарға көк күкірт бактерияларындағы хлорофилл молекулаларының спираль тәрізді орналасқанын анықтауға мүмкіндік берді. Мутант бактерияларда хлорофилл молекулалары нанотүтіктердің бойлық осіне қатысты шамамен 90 градус бұрышпен орналасқан, ал жабайы түрдегі организмдерде бұл бұрыш азырақ. Құрылымдық каркас биологиялық жарық жинау функциясын жақсарту үшін тәртіпсіздікке төзе алады, яғни нашар реттелген құрылым жақсы нәтижелер береді.
Chlorosome shape can vary between species, with some species containing ellipsoidal shaped chlorosomes and others containing conical or irregular shaped chlorosomes. Inside green sulfur bacteria, the chlorosomes are attached to type I reaction centers in the cell membrane via FMO proteins and a chlorosome baseplate composed of CsmA proteins. The composition of the chlorosomes is mostly bacteriochlorophyll (BChl) with small amounts of carotenoids and quinones surrounded by a galactolipid monolayer. These pigments self assemble in lamellar structures about 10 30 nm wide. Recently, another study has determined the organization of the bacteriochlorophyll molecules in green sulfur bacteria. Because they have been so difficult to study, the chlorosomes in green sulfur bacteria are the last class of light harvesting complexes to be characterized structurally by scientists. Each individual chlorosome has a unique organization and this variability in composition had prevented scientists from using X ray crystallography to characterize the internal structure. To get around this problem, the team used a combination of different experimental approaches. Genetic techniques to create a mutant bacterium with a more regular internal structure, cryo electron microscopy to identify the larger distance constraints for the chlorosome, solid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to determine the structure of the chlorosome's component chlorophyll molecules, and modeling to bring together all of the pieces and create a final picture of the chlorosome. To create the mutant, three genes were inactivated that green sulfur bacteria acquired late in their evolution. In this way it was possible to go backward in evolutionary time to an intermediate state with much less variable and better ordered chlorosome organelles than the wild type. The chlorosomes were isolated from the mutant and the wild type forms of the bacteria. Cryo electron microscopy was used to take pictures of the chlorosomes. The images reveal that the chlorophyll molecules inside chlorosomes have a nanotube shape. The team then used MAS NMR spectroscopy to resolve the microscopic arrangement of chlorophyll inside the chlorosome. With distance constraints and DFT ring current analyses, the organization was found to consist of unique syn anti monomer stacking. The combination of NMR, cryo electron microscopy and modeling enabled the scientists to determine that the chlorophyll molecules in green sulfur bacteria are arranged in helices. In the mutant bacteria, the chlorophyll molecules are positioned at a nearly 90 degree angle in relation to the long axis of the nanotubes, whereas the angle is less steep in the wild type organism. The structural framework can accommodate disorder to improve the biological light harvesting function, which implies that a less ordered structure has a better performance.
Баламалы энергия көзі
Хлоросомалардағы хлорофиллдің жиналуына себеп болатын өзара әрекеттесулер өте қарапайым, және бұл нәтижелер болашақта күн энергиясын электр энергиясына немесе биоотынға түрлендіретін жасанды фотосинтез жүйелерін жасауға қолданылуы мүмкін.
The interactions that lead to the assembly of the chlorophylls in chlorosomes are rather simple and the results may one day be used to build artificial photosynthetic systems that convert solar energy to electricity or biofuel.