W czasopiśmie naukowym „Nature Plants” ukazał się artykuł prezentujący wyniki badań kierowanych przez  laureatów FNP, w którym opisane zostały wysokorozdzielcze struktury cryo-EM kompleksu białkowego cytochromu b₆f, jednego z kluczowych białek fotosyntezy u roślin. Głównymi autorami pracy są prof. Artur Osyczka z Zakładu Biofizyki Molekularnej WBBiB UJ, laureat programu TEAM i dr hab. Sebastian Glatt z grupy Maxa Plancka Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, laureat programu TEAM-TECH Core Facility. Opisane badania stanowią przykład owocnej współpracy naukowej w ramach dwóch różnych grantów przyznanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Dzięki wykorzystaniu mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM) naukowcom udało się uchwycić strukturę kompleksu podczas przeprowadzania cyklu katalitycznego. Ujawnione elementy struktury pozwalają na lepsze zrozumienie molekularnych procesów warunkujących zachodzenie reakcji katalitycznych w tym białku (por. Molecular basis of plastoquinone reduction in plant cytochrome b₆f. (link w dole tekstu).

Komórki roślinne są zdolne do przetwarzania energii świetlnej w energię chemiczną w procesie zwanym fotosyntezą. Molekularnymi maszynami, które działają jak elektrownie komórkowe, są kompleksy białkowe zwane fotosystemami, które połączone są za pomocą kompleksu zwanego cytochromem b₆f. Rolą tego kompleksu jest przeprowadzanie reakcji chemicznych, w których cząsteczki plastochinonu są substratami. Struktury cytochromu b₆f opisane w opublikowanej pracy pokazują po raz pierwszy jak substrat wiąże się do centrum katalitycznego. Pozycja substratu uchwycona została w trakcie cyklu katalitycznego i okazało się, że jest ona zaskakująco różna w porównaniu do znanych wcześniej pozycji inhibitorów, które mogą wypierać substrat z miejsca katalitycznego. Jeden z dwóch równorzędnych pierwszych autorów pracy, dr Rafał Pietras tłumaczy: „Cząsteczka plastochinonu, w odróżnieniu od inhibitorów, nie oddziałuje bezpośrednio z hemem c_n (strukturalnym elementem centrum katalitycznego). Zamiast tego oddziałuje z cząsteczką wody, która najprawdopodobniej uczestniczy w reakcji chemicznej”. Jak dodaje dr hab. Sebastian Glatt –„Uzyskane struktury uwidoczniły obecność specyficznych kanałów wypełnionych wodą, które łączą miejsce katalityczne z powierzchnią białka. W oparciu o te obserwacje zaproponowaliśmy mechanizm, w którym stosujemy analogię do działania tłoczka w strzykawce”.

Prof. Artur Osyczka wyjaśnia: „Pod nieobecność substratu, centrum katalityczne jest wypełnione wodą. Substrat wchodząc do centrum wypiera wodę przez te kanały, a po zajściu reakcji gdy produkt opuszcza centrum, cząsteczki wody napływają z powrotem do centrum przez te same kanały. Przypuszczamy, że podobny mechanizm wymiany platochinonu i wody może być bardziej uniwersalny i mieć miejsce w podobnych centrach innych białek”.

Publikacja jest efektem owocnej współpracy między Zakładem Biofizyki Molekularnej WBBiB UJ  kierowanym przez prof. Artura Osyczkę a Grupą Max Plancka z MCB UJ kierowaną przez dra hab. Sebastiana Glatta. W zeszłym roku grupy opublikowały rezultaty wspólnych badań w czasopiśmie „Science Advances” w pracy, w której opisane są inne molekularne własności cytochromu b₆f (link w dole tekstu).

Wszystkie dotychczas opisane struktury cytochromu b₆f zostały przygotowane w oparciu o dane zebrane przy użyciu mikroskopu Titan Krios G3i w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Struktura o rozdzielczości 1,9 Å opisana w „Nature plants” jest obecnie najdokładniejszym modelem cytochromu b₆f uzyskanym dla roślin wyższych. Dzięki tak wyjątkowo wysokiej rozdzielczości możliwe było oznaczenie położenia pojedynczych cząsteczek wody w strukturze tego dużego kompleksu białkowego. Opisane struktury dostarczą modeli do dokonywania obliczeń kwantowo-mechanicznych celem dalszego zrozumienia fizyko-chemicznych podstaw kluczowych reakcji fotosyntezy katalizowanych przez cytochrom b₆f.

Badania finansowane były przez Narodowe Centrum Nauki (grant OPUS kierowany przez A. Osyczkę) oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej (grant TEAM kierowany przez A. Osyczkę, oraz grant TEAM-TECH Core Facility kierowany przez S. Glatta).

fot. „Nature Plants”, www.nature.com

 

Więcej informacji:

• Artykuł laureatów FNP prof. dra hab. Artura Osyczki i dra hab. Sebastiana Glatta „Molecular basis of plastoquinone reduction in plant cytochrome b₆f”, opublikowany w „Nature Plants” LINK
• o programie TEAM;
• o programie TEAM TECH Core Facility
• Laureaci programów FNP – prof. dr hab. Artur Osyczka i dr hab. Sebastian Glatt – publikują w „Science Advances” – informacja na www.fnp.org.pl LINK
• Artykuł „High-resolution cryo-EM structures of plant cytochrome b₆f at work”, opublikowany w „Science Advances” LINK

Programy TEAM i  TEAM-TECH Core Facility były realizowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.