Badacze z Uniwersytetu Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie, pracujący pod kierunkiem prof. Wiesława Gruszeckiego, laureata programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, odkryli mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów przystosowania fotosyntezy w roślinach do intensywności pochłanianego światła. Wyniki badań publikuje prestiżowy miesięcznik naukowy The Plant Cell.

Badania przeprowadzone przez lubelskich naukowców oraz ich partnerów z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego i z Politechniki Federalnej (EPFL) w Lozannie wskazują na istnienie uniwersalnego mechanizmu molekularnego o charakterze regulacyjnym, dzięki któremu, w zależności od intensywności światła, aparat fotosyntetyczny roślin może się przełączać pomiędzy stanami sprzyjającymi efektywnemu pochłanianiu energii albo rozpraszaniu jej nadmiaru.

Życie na naszej Planecie zasilane jest energią słoneczną a fotosynteza jest praktycznie jedynym procesem, na drodze którego energia światła może być zamieniona na formy bezpośrednio wykorzystane do procesów życiowych. W aparacie fotosyntetycznym roślin procesy pierwotne fotosyntezy zachodzą w tzw. centrach reakcji, do których energii słonecznej dostarczają pochłaniające światło anteny fotosyntetyczne. Najbardziej znaną anteną fotosyntetyczną w świecie roślin jest kompleks barwnikowo-białkowy określany mianem LHCII (Light Harvesting Complex II, ang.). Bez przesady stwierdzić można, że to właśnie dzięki temu białku życie na Ziemi może efektywnie korzystać z „zasilania energią słoneczną”. Niestety moce przerobowe anten nie są nieograniczone. Często zdarza się, że pochłaniana przez rośliny porcja energii przewyższa w danej chwili możliwości „operacyjne” aparatu fotosyntetycznego. Efektem tego przeciążenia może być m.in. to, że tlen, który jest produktem fotosyntezy, pod wpływem pewnych czynników może przerodzić się z życiodajnej substancji w najbardziej toksyczną i destrukcyjną cząsteczkę w świecie ożywionym. Okazuje się więc, że nie tylko zdolność aparatu fotosyntetycznego do pochłaniania jak największej porcji energii słonecznej, ale również umiejętność rozpraszania nadmiaru energii stanowią najbardziej istotne, życiowe funkcje aparatu fotosyntetycznego roślin.

Naukowców od dawna nurtowało pytanie, jak ta sama struktura – np. fotosyntetyczny kompleks antenowy LHCII – może uczestniczyć w dwóch przeciwstawnych procesach, czyli zarówno w pochłanianiu, jak i rozpraszaniu energii. Zespół biofizyków z UMCS w Lublinie podjął się próby wyjaśnienia tego fenomenu. Badacze wykazali, że kontrolowane intensywnością światła procesy modyfikacji białka LHCII, między innymi jego częściowa fosforylacja (przyłączanie obdarzonej ujemnym ładunkiem elektrycznym grupy fosforanowej), wpływają istotnie na możliwości tworzenia struktur wyższych rzędów w środowisku błon lipidowych. Okazało się, że białka LHCII izolowane z liści szpinaku adoptowanych do ciemności, w połączeniu z lipidami tworzą struktury wielowarstwowe przypominające stosy. W aparacie fotosyntetycznym roślin takie właśnie struktury, zwane granami, określane są jako sprzyjające efektywnemu pochłanianiu energii świetlnej. Z drugiej jednak strony, tworzenie takich struktur nie było obserwowane w przypadku preparatów LHCII izolowanych z liści szpinaku poddanych silnemu oświetleniu. Okazało się jednakże, iż w tym przypadku białka posiadały bardzo silną tendencję do tworzenia struktur zasocjowanych w płaszczyźnie jednej warstwy lipidowo-białkowej. Ponadto, badacze z Lublina wykazali, że powstałe w ten sposób struktury posiadają zdolność bardzo wydajnego rozpraszania w postaci ciepła, pochłanianej energii promieniowania świetlnego.

Wyniki badań lubelskich naukowców mogą mieć wpływ na zwiększenie plonów. Bowiem pełne poznanie mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za gospodarkę energią w aparacie fotosyntetycznym roślin otworzy nowe możliwości sterowania fotosyntezą w zależności od jakości oraz intensywności promieniowania (np. oświetlenie naturalne vs. oświetlenie sztuczne).

***

Prof. Wiesław I. Gruszecki ukończył studia w Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie na kierunku fizyka o specjalności biofizyka w 1984 r. Uzyskał stopień doktora na tym samym uniwersytecie w 1986 r. oraz habilitację na Uniwersytecie Jagiellońskim w 1993 r. Tytuł profesora odebrał od Prezydenta RP w 1999 r. Prof. Gruszecki przebywał wielokrotnie na długoterminowych stażach zagranicznych, między innymi w Université du Québec à Trois Rivières w Kanadzie, Université de Genève w Szwajcarii oraz University of California Los Angeles w USA. Obecnie Prof. Wiesław Gruszecki pełni funkcję Kierownika Zakładu Biofizyki w Instytucie Fizyki UMCS w Lublinie oraz Prezesa Zarządu Głównego Polskiego Towarzystwa Biofizycznego. Wiesław I. Gruszecki jest laureatem programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

***

Program TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej został uruchomiony w 2007 r. dzięki pozyskaniu przez Fundację środków z funduszy europejskich w ramach Działania 1.2 „Wzmocnienie potencjału kadrowego nauki” Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Celem programu jest zwiększenie zaangażowania młodych uczonych – studentów, doktorantów i młodych doktorów – w prace badawcze prowadzone w obszarach bio, info, techno realizowane w najlepszych zespołach i laboratoriach naukowych w Polsce. W 2012 r. odbył się ostatni nabór wniosków do programu.

Kontakt prasowy:

Dominika Wojtysiak-Łańska, Fundacja na rzecz Nauki Polskiej: tel. 022 845 95 41, 698 931 944, dominika.wojtysiak@fnp.org.pl

Poniżej nieodpłatny serwis zdjęciowy dla mediów. Aby otrzymać zdjęcia w wersji do druku, prosimy o kontakt z Dominiką Wojtysiak-Łańską. Autorem fotografii jest Magdalena Wiśniewska-Krasińska. Infografikę przygotował Maciej Krupa.