zpravodajství životního prostředí již od roku 1999

Odhalování tajů fotosyntézy

21.01.2018
Příroda
Odhalování tajů fotosyntézy

 Fotosyntéza je sice jedním z nejzákladnějších procesů na Zemi, přesto stále není do všech detailů známá.

Mnoho z jejích tajů však už odhalil a stále odkrývá Josef Komenda z Mikrobiologického ústavu AV ČR se svým týmem.

Profesor Josef Komenda a jeho kolegové konkrétně objasnili molekulární principy, na nichž se zakládá funkčnost fotosyntetického aparátu v buňkách rostlin, řas a sinic. Jeho klíčovou složkou je fotosystém II - složitý komplex bílkovin, pigmentů a dalších faktorů, jehož funkce je spojena s vývojem kyslíku a je tedy zcela zásadní pro udržení života na naší planetě.


Josef Komenda je držitelem Ceny AV ČR; na snímku s někdejším předsedou Akademie věd ČR Jiřím Drahošem.


Předložili jste výrazně nový pohled na mechanismus vzniku a opravy fotosystému II - jak tento komplex vzniká?
V našem modelu se při vzniku fotosystému II nejprve syntetizují velké membránové bílkovinné podjednotky D1, D2, CP43 a CP47, které ihned váží chlorofyl i další pigmenty a také nejbližší malé podjednotky za vzniku tzv. modulů. Tyto moduly se pak navzájem postupně spojují za vzniku přechodných komplexů, které však mají velmi krátkou dobu života a rychle se přemění na již stabilní monomerní komplex jádra fotosystému. Na něm dochází ke vzniku klastru CaMn4O5, který katalyzuje proces oxidace vody za vzniku molekulárního kyslíku. Klastr je stabilizován vazbou několika proteinů. Monomer aktivní ve vývoji kyslíku se nakonec spojí s druhým monomerem za vzniku dimeru, což je hlavní funkční forma komplexu přítomná ve fotosyntetických membránách oxygenních (kyslík produkujících) fotosyntetických organismů.

Pohled na pracoviště Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni

Jaké aspekty tohoto procesu v současnosti studujete, co zatím zůstává nejasné?
Náš tým se zaměřuje především na počáteční fázi vzniku modulů, kde jsme identifikovali několik významných bílkovinných faktorů důležitých především pro ochranu vznikajících modulů před fotooxidací. Ve spolupráci se skupinou prof. Polívky z Jihočeské univerzity se nám také podařilo objasnit mechanismus jednoho z ochranných účinků, který spočívá ve velmi rychlém přenosu přebytečné světelné energie z molekul chlorofylu na molekuly karotenu, kde se následně přeměňuje na teplo. V současnosti pokračujeme v identifikaci a charakterizaci dalších faktorů potřebných pro správný průběh biosyntézy fotosystému II. Náš zájem také začíná směřovat k fotosystému I, o jehož vzniku je známo podstatně méně v porovnání s fotosystémem II, přičemž počáteční fáze vzniku obou komplexů se zdají být úzce propojeny.

Fotosystém II je známý svou nestabilitou, jakým způsobem dochází k jeho poškozování a čím se projevuje?
Ano, unikátní schopnost fotosystému II vyvíjet kyslík je vykoupena jeho velkou náchylností k narušení funkcí působením světla, často i v kombinaci s dalšími stresovými faktory. Toto narušení se za extrémních podmínek projevuje jako pokles celkové fotosyntetické produktivity. K opětnému obnovení funkce fotosystému a nastartování vývoje kyslíku je pak nezbytné komplex opravit.

Jaké hlavní mechanismy hrají roli při této opravě? Jsou v přírodě běžné, nebo jde o unikátní proces rezervovaný pouze pro tento účel?
Probíhá prostřednictvím tzv. opravného cyklu, při němž dochází k odstranění a následnému nahrazení klíčové podjednotky komplexu zvané D1 nově syntetizovanou kopií. Během procesu opravy se komplex musí částečně rozpadnout a po výměně proteinu D1 opět rychle složit. Jedná se tedy zase o poměrně složitý proces, který je v přírodě velmi unikátní a jeho přesná regulace opět vyžaduje účast řady pomocných bílkovinných faktorů. Našemu týmu se podařilo identifikovat a strukturně charakterizovat proteolytický enzym odpovědný za odstranění podjednotky D1. Dosud se předpokládalo, že spouštěčem tohoto odstranění je poškození fotosystému a ztráta jeho funkce, která vede ke změně uspořádání proteinu D1, a jeho rozeznání zmíněným enzymem. Náš tým však zjistil, že samotné poškození fotosystému není pro proces výměny proteinu D1 nezbytné a stačí protein pouze zpřístupnit enzymu - například odstraněním nebo změnou uspořádání některé z jeho sousedních podjednotek.

Jaké organismy při svých výzkumech používáte?
Protože struktura i funkce fotosystémů je velmi podobná v sinicích, řasách i rostlinách, s výhodou využíváme k našemu výzkumu sinice, a to především modelový druh Synechocystis sp. PCC 6803. Důvodem je jednodušší skladba buněk sinic, což jsou v podstatě fotosyntetizující bakterie a na rozdíl od rostlin neobsahují organely, jako jsou např. chloroplasty. Sinice Synechocystis je také velmi snadno přístupná pro různé genetické manipulace a případní mutanti neschopní provádět fotosyntézu se mohou pěstovat za přítomnosti cukrů.


Kultivace kmenů modelové sinice Synechocystis PCC 6803 v tekutém médiu na agarových plotnách a třepačce

Fotosyntetické procesy se zkoumají rovněž v souvislosti s jejich možným využitím ve fotovoltaických článcích pro přeměnu slunečního záření na elektřinu. Mohou vaše poznatky přispět k pokroku i na tomto poli?
Cílem našich studií je dokonale poznat celý životní cyklus fotosyntetických komplexů, což je nezbytnou podmínkou pro to, abychom dokázali napodobit jejich fungování při konstrukci stabilních umělých fotosyntetických systémů, které by v budoucnu mohly představovat jedinečný zdroj energie pro lidstvo.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Stanislava Kyselová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, Archiv Mikrobiologického ústavu AV ČR

Komentáře k článku. Co si myslí ostatní?

Další články
Podněty ZmapujTo
Mohlo by vás také zajímat
Naši partneři
Složky životního prostředí