Fotosinteza je ključni proces koji omogućava biljkama da pretvore ugljen-dioksid u organska jedinjenja koristeći sunčevu energiju. Kompleks za prikupljanje svetlosti II (LHCII) je kompleks molekula pigmenta vezanih za proteine. Prebacuje se između dve glavne funkcije – rasipanje štetne viška svetlosne energije kao toplote pod visokim intenzitetom svetlosti kroz nefotohemijsko gašenje i prenošenje apsorbovane svetlosti u reakcioni centar sa skoro jediničnom efikasnošću pri slabom osvetljenju.
Studije bioinženjeringa su pokazale da ubrzanje prelaza između ove dve funkcije može povećati fotosintetičku efikasnost – na primer, prinosi soje su prijavljeni da se povećaju i do 33%. Međutim, dinamičke strukturne promene na nivou atoma u LHCII koje aktiviraju takvu alosterijsku regulaciju nisu prethodno razjašnjene.
U ovoj studiji, istraživači predvođeni prof. Veng Iukiangom sa Instituta za fiziku Kineske akademije nauka, zajedno sa grupom prof. dinamičke strukture LHCII pri atomskoj rezoluciji sa funkcionalnom teorijom gustine više stanja (MSDFT) proračuni prenosa energije između fotosintetskih pigmentnih molekula da bi se identifikovao kvantni prekidač fotosintetskog pigmenta za intermolekularni prenos energije.
Rad „Krio-EM strukture LHCII u fotoaktivnim i foto-zaštitnim državama otkrivaju alosteričku regulaciju sakupljanja svetlosti i rasipanje viška energije“ objavljen je u Nature Plants.
Kao deo svog rada, prijavili su seriju od šest krio-EM struktura, uključujući stanje prenosa energije sa LHCII u rastvoru i stanje gašenja energije sa bočno ograničenim LHCII u membranskim nanodiskovima u neutralnim i kiselim uslovima.
Poređenje ovih različitih struktura pokazuje da LHCII prolazi kroz konformacionu promenu nakon zakiseljavanja. Ova promena alosterično menja međupigmentnu udaljenost lokusa za gašenje fluorescencije Lutein1 (Lut1) – Hlorofil612 (Chl612) samo kada je LHCII zatvoren u membranskim nanodiskovima, što dovodi do gašenja pobuđenog Chl612 od strane Lut1.
Dakle, LHCII ograničen bočnim pritiskom (npr. agregirani LHCII) je preduslov za nefotohemijsko gašenje (NPK), dok konformaciona promena izazvana kiselinom poboljšava gašenje fluorescencije.
Kroz MSDFT proračune krio-EM struktura i poznate kristalne strukture u gašenim stanjima, zajedno sa eksperimentima tranzijentne fluorescencije, otkriven je značajan kvantni mehanizam prebacivanja LHCII sa Lut1–Chl612 rastojanjem kao ključnim faktorom.
Ovo rastojanje reguliše kvantni kanal prenosa energije kao odgovor na bočni pritisak na LHCII i konformacionu promenu, to jest, mala promena na njegovoj kritičnoj udaljenosti od 5,6 A bi omogućila reverzibilno prebacivanje između sakupljanja svetlosti i disipacije viška energije. Ovaj mehanizam omogućava brz odgovor na promene u intenzitetu svetlosti, obezbeđujući i visoku efikasnost u fotosintezi i uravnoteženu fotozaštitu sa LHCII kao kvantnim prekidačem.
Prethodno su ove dve istraživačke grupe sarađivale na simulacijama molekularne dinamike i eksperimentima ultrabrze infracrvene spektroskopije i predložile da je LHCII alosterski regulisana molekularna mašina. Njihove trenutne eksperimentalne krio-EM strukture potvrđuju prethodno teoretski predviđene strukturne promene u LHCII.
