Биохимики ФИЦ Биотехнологии РАН в составе международного коллектива ученых расшифровали механизм, лежащий в основе активации оранжевого каротиноидного белка — фоторецептора цианобактерий, защищающего их от чрезмерного воздействия света. Создание уникального мутантного варианта и использование новейших спектроскопических подходов позволило описать фотохимическую реакцию, ранее не известную для каротиноидов. Результаты работы в будущем откроют перспективы для разработки новых светоуправляемых систем и биоматериалов. С текстом работы можно ознакомиться на страницах журнала Communications Biology.
Воздействие света необходимо фотосинтезирующим организмам для переработки неорганических соединений в органические. Однако здесь важна мера: избыток солнечной энергии может оказаться губительным для клеток. Благодаря пигментам каротиноидам, которые могут входить в состав специальных фотозащитных белков, излишек возбуждения переводится в тепло — происходит так называемое нефотохимическое тушение. Объектом исследования авторов статьи стал один из таких защитников — оранжевый каротиноидный белок (Orange carotenoid protein, OCP). Впервые его выделили в 1981 году из представителей древней группы фотосинтетических прокариот, цианобактерий. OCP имеет две белковых части-домена, образующих полость, внутри которой содержится одна молекула каротиноида.
«При поглощении света молекулой каротиноида белок ОСР способен переходить из неактивной оранжевой в активную красную форму. Этот процесс является многостадийным и подчиняется сложной иерархии событий. Ранее мы показали асинхронность этих изменений, однако механизм самой первой стадии фотоактивации ОСР, связанный с разрывом водородных связей между каротиноидом и белком, оставался неразгаданным», — рассказывает Евгений Максимов, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН.
Ученые провели комплексное исследование с привлечением методов структурной биологии, спектроскопии, биохимии и квантовой химии. Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН создали «сверхоранжевый» вариант ОСР с уникальными спектральными и структурными свойствами и определили его кристаллическую структуру с наивысшим пространственным разрешением среди всех известных ОСР-подобных белков.
Анализ полученных данных показал, что в результате поглощения фотона в ОСР может произойти реакция разделения зарядов вдоль водородной связи между молекулой каротиноида и одним из аминокислотных остатков белка. Эта водородная связь в темноте стабилизирует оранжевое состояние ОСР, однако на свету она крайне быстро рвется благодаря перераспределению электронной плотности в молекуле каротиноида. В результате этого в белке образуются отрицательный и положительный полюса, что приводит к изменению всей его структуры. Такая фотохимическая реакция впервые описана для каротиноидов.
«Наше открытие позволит управлять процессом активации ОСР и его спектральными свойствами. В итоге это может привести к созданию новых светоуправляемых систем и «умных» биосовместимых материалов на основе фотоактивных белков для оптогенетики и функционального имиджинга», — рассказывает Николай Случанко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН.
Работа выполнена совместно с коллегами биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, МФТИ, ФИЦ химической физики имени Н. Н. Семенова РАН, Института биоорганической химии имени М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, а также из научных организаций Германии и Чехии.
Role of hydrogen bond alternation and charge transfer states in photoactivation of the Orange Carotenoid Protein. Communications Biology volume 4, Article number: 539 (2021): https://www.nature.com/articles/s42003-021-02022-3