Ученые раскрыли структуру крупнейшего фотосинтетического комплекса эукариот

Суперкомплекс PSI-FCPI кокколитофорид, состоящий из большого количества светособирающих антенн и пигментов. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv2132

Кокколитофориды — это тип одноклеточных микроводорослей, которые превращают CO₂ в органическое вещество и осаждают карбонат кальция, значительно влияя на оптику океана, экспорт углерода и его долгосрочное хранение. Они являются основными участниками океанического фотосинтеза, особенно в умеренных и открытых водах океана.

Понимание того, как работают их фотосинтетические системы, имеет значение для искусственного фотосинтеза, биоинспирированных солнечных материалов, энергетических сетей, спектрального инжиниринга и других применений.

В новом исследовании, представленном на обложке журнала Science 11 сентября, китайские исследователи сообщили о прорыве в понимании эффективности сбора света кокколитофоридами.

Исследование, проведенное под руководством профессора Ван Вэнда и профессора Тянь Лицзиня из Института ботаники Китайской академии наук вместе с коллегами, раскрыло первую трехмерную структуру суперкомплекса фотосистемы I–фукоксантин–хлорофилл a/c-связывающего белка (PSI-FCPI) у кокколитофорида Emiliania huxleyi.

Исследование показывает, как эта гигантская фотосинтетическая машина может увеличить площадь поперечного сечения сбора света в три-четыре раза, сохраняя при этом эффективность преобразования энергии более 95%.

Ученые сообщили о структурных и пигментных особенностях PSI-FCPI у E. huxleyi и показали, что это крупнейший комплекс фотосистемы I эукариот, обнаруженный на сегодняшний день. PSI-FCPI состоит из 51 белковой субъединицы и 819 пигментов с молекулярной массой 1,66 МДа. Его способность к сбору света в четыре-пять раз больше, чем у суперкомплекса PSI-LHC гороха.

Несмотря на свои размеры, система достигает сверхбыстрого переноса энергии в течение 96–120 пикосекунд, обеспечивая квантовую эффективность преобразования света в электроны более 95%.

Выдающаяся производительность PSI-FCPI опирается на уникальном расположении антенных белков и пигментов. Тридцать восемь периферических антенн Eh-FCPI окружают ядро PSI восемью радиальными поясами, собранными из канонических субъединиц Lhcq и вновь идентифицированных субъединиц, подобных Lhcq. Получившаяся «гигантская система светособирающих антенн» значительно увеличивает ее способность к поглощению.

Антенны FCPI обогащены хлорофиллом c и каротиноидами типа фукоксантина, что позволяет эффективно поглощать сине-зеленый (460–490 нм) и зеленый (490–540 нм) свет в океанской воде. Более того, сильная экситонная связь между хлорофиллом c и хлорофиллом a устраняет энергетические ловушки и создает гладкую и эффективную сеть передачи энергии, обеспечивая быструю и стабильную доставку энергии возбуждения в реакционный центр PSI.

Кокколитофориды играют важную роль в глобальном углеродном цикле. Они процветали в меловой период, оставляя массивные «меловые» отложения в осадках из-за своих карбонатных пластин. Огромный PSI-FCPI представляет собой предельное расширение светособирающих структур в эволюционном контексте вторичного эндосимбиоза красной линии.

Это исследование не только дает представление об адаптивной эволюции этой древней линии, но и углубляет наше понимание фотосинтетических стратегий морских организмов.

Больше информации: Lili Shen et al, Structure and function of a huge photosystem I–fucoxanthin chlorophyll supercomplex from a coccolithophore, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv2132

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это фундаментальное открытие в области биофизики и эволюционной биологии, которое может иметь далеко идущие последствия для разработки искусственных фотосинтетических систем и создания новых материалов для солнечной энергетики. Особенно впечатляет эффективность преобразования энергии более 95% — это недостижимый пока показатель для созданных человеком технологий.