Tema

3D-bild avslöjar fotosyntesens innersta hos backtrav

Tack var en unik 3D-struktur av molekylkomplexet fotosystem II har Umeåforskare fått en unik inblick i det inre av backtravens fotosyntesmaskin.

Forskare har för första gången lyckats ta fram en högupplöst bild av fotosystem II – fotosyntesens centrala komplex – i modellväxten backtrav. Det enorma komplexet ansvarar för den livsviktiga syrgasproduktionen i fotosyntesen som en gång möjliggjorde liv på vår planet. 3D-strukturen har skapats med hjälp av kryoelektronmikroskopi.

Högupplöst bild av fotosystem II i växten backtrav, framtagen med hjälp av kryoelektronmikroskopi. Bild: Wolfgang Schröder

– Strukturen vi kan se ger oss detaljerad information om de olika kofaktorerna såsom klorofyll och fettmolekylers bindningar i fotosynteskomplex II. Vi har också lyckats visa exakt var och hur detergenter binder och påverkar komplexets stabilitet, säger Wolfgang Schröder, professor på kemiska institutionen vid Umeå universitet som lett studien.

Ett ogräs är växtforskarnas försöksråtta

Växtforskarnas ”försöksråtta” har de senaste 25 åren varit växten backtrav, Arabidopsis thaliana. Anledningen till detta är att ”ogräset” växer snabbt även på våra breddgrader och år 2000 lyckades forskare sekvensera alla dess gener.

I centrum för den fotosyntetiska processen står fotosystem II-komplexet. Det innehåller närmare 30 olika proteiner och en rad så kallade kofaktorer, som olika pigment och metaller, och det är utan tvekan ett av de största komplexen i växternas kloroplaster.

Den nu publicerade strukturen i studien har samma höga upplösning som de två tidigare strukturerna som tagits fram från spenat och ärta, vilket för första gången möjliggör en jämförelse av växternas fotosystem II-komplex på samma detaljnivå.

Dyker in och tittar runt i fotosyntesens inre

– Jag har jobbat med detta komplex sedan jag blev doktorand i växtproteinkemi vid Lunds universitet 1983, det blir hela 38 år!, säger Wolfgang Schröder. Jag minns att jag som doktorand skojade vid fikat att tänk om man skulle kunna dyka in i fotosystem II och titta runt. Och i dag med ny teknik och min extremt duktiga doktorand André Graça och mina två fantastiska forskarkollegor Michael Hall och Karina Persson har vi nu kunnat göra det ”omöjliga”!

Film av fotosyntesens centrala komplex (34 sek). Källa: Umeå universitet

Tekniken som forskarna har använt kallas kryoelektronmikroskopi (Nobelpriset i kemi 2017) och den går i korthet ut på att biologiska prover skjuts ner i flytande etan (-190 grader Celsius). Man tar sedan närmare 100 000 tvådimensionella EM-bilder av de slumpmässigt frysta partiklarna. Därefter får en dator göra bildanalyser och sammanställer en 3D-struktur.

– Extra spännande var att se om våra tidigare biokemiska analyser av komplexet var korrekta, lite som ett facit. Oftast är det större forskarlag från olika laboratorier som publicerar strukturer med denna storlek och upplösning, eftersom det krävs mycket datatid och arbete, men i detta fall är vi fyra Umeåforskare inom nätverket Integrated Structural Biology, ISB, som åstadkom denna struktur så det är ”lokalproducerad” forskning, säger Wolfgang Schröder leende.

Vetenskaplig studie:

High-resolution model of Arabidopsis Photosystem II reveals the structural consequences of digitonin-extraction. (Graça, A.T., Hall, M., Persson, K. et al.) Scientific Reports11, 15534 (2021).

Kontakt:

André T. Graça, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, andre.graca@umu.se
Wolfgang P. Schröder, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, wolfgang.schroder@umu.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

3D-bild avslöjar fotosyntesens innersta hos backtrav

 lästid ~ 2 min