Molekylstrukturen på det fotosyntetiska komplex I-proteinet i cyanobakteriens tylakoidmembran
Molekylstrukturen på det fotosyntetiska komplex I-proteinet, som sitter i cyanobakteriens tylakoidmembran. Proteinet består av olika ihopkopplade moduler, som fångar elektroner från övriga fotosyntetiska protein, pumpar proton över ett biologiskt membran, och koncentrerar koldioxid. Bild: Patricia Saura.
 

– Det är fascinerande hur naturen har kombinerat olika proteinmoduler som legoklossar i detta enorma proteinkomplex för att skapa en ny biologisk funktion. Med hjälp av de här förändringarna kan proteinet vi upptäckt växelverka med det övriga fotosyntetiska proteinmaskineriet och använda fotosyntetisk energi till att pumpa protoner över ett membran och koncentrera koldioxid, säger Ville Kaila vid Institutionen för biokemi och biofysik, som är en av dem som lett studien.

Växter och andra så kallade fotosyntetiska organismer som alger och cyanobakterier använder ljusenergi för att bygga invecklade organiska molekyler. Processen kräver koldioxid och vatten som de fotosyntetiska proteinerna omvandlar till socker och syre. Koldioxid är dock en gas som först måste lagras om som vattenlöslig kolsyra, vilket kräver att cellen använder energi. Vilka proteiner som gör processen möjlig i fotosyntetiska organismer har tidigare varit okänt.

Unik molekylstruktur

Genom att använda kryo-elektronmikroskopi, biokemiska experiment och avancerade datorsimuleringar, kunde forskarna kartlägga molekylära principer där elektroner från ljusdrivna fotosyntetiska processer används till att koncentrera koldioxid i cyanobakteriers cellmembran. Cyanobakterierna var bland de första fotosyntetiska organismerna och uppkom för ungefär 2,7 miljarder år sedan. Men eftersom koldioxidnivån i luften förändrades drastiskt under denna period måste bakterierna utveckla specialiserade proteiner för att överleva.

Proteinmodulerna som katalyserar omvandlingsprocessen av koldioxid har en unik molekylstruktur som ingen tidigare sätt.
– Vi blev förvånade när vi såg hur exotiska kemiska grupper var placerade för att göra katalysprocessen möjlig, berättar Ville Kaila.

Centralt även i cellandning

Komplex I är också ett centralt protein i cellandningsprocessen i mitokondrierna, våra cellers energikraftverk som Ville Kailas forskargrupp kartlägger på atomnivån. Kunskapen kan bidra till en bättre förståelse för sjukdomar där cellandningen är skadad som exempelvis diabetes, cancer och Parkinsons sjukdom. Upptäckten av det fotosyntetiska komplex I-proteinet kan också bidra till bättre syntes av hållbara solbränslen genom att förklara vilka molekylära principer som används i naturen för effektiv energiomvandling.

Studien är ett samarbete mellan Ville Kaila, professor i biokemi vid Stockholms universitet, Marc Nowaczyk, universitetslektor vid Ruhr-universitetet i Bochum, Tyskland och Jan Schuller, forskare vid Max Planck institutet för biokemi i München och gruppledare vid Philipps universitetet i Marburg, Tyskland. Forskningen har fått stöd från Europeiska forskningsrådet (ERC), det tyska vetenskapsrådet (DFG), samt Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW).

Artikeln

Redox-coupled proton pumping drives carbon concentration in the photosynthetic complex I” av Jan Schuller, Patricia Saura, Jacqueline Thiemann, Sandra Schuller, Ana Gamiz-Hernandez, Genji Kurisu, Marc Nowaczyk och Ville Kaila publicerades i Nature Communications 24 januari 2020. 
doi: 10.1038/s41467-020-14347-4.