An attempt to increase thermostability of the mutant photosynthetic reaction center of Cereibacter sphaeroides using disulfide bonds

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

142290 Pushchino, Moscow Region, Russia; e-mail: vsyulya20@yandex.ru

Methods of site-directed mutagenesis are successfully used in structural and functional studies of photosynthetic reaction centers (RCs). It has been noted that many mutations near electron transfer cofactors reduce the temperature stability of Cereibacter sphaeroides RCs and affect the number of RCs in membranes. We previously reported [Selikhanov et al. (2023) Membranes, 25, 154] that the introduction of inter-subunit disulfide bridges on the periplasmic or cytoplasmic surface of the complex promotes an increase in the thermal stability of C. sphaeroides RCs. In this work, an attempt was made to increase the thermal stability of the mutant RC with the Ile M206 – Gln substitution
by introducing inter-subunit disulfide bonds. This RC is of considerable interest for studying the mechanisms of early electron transfer processes in RCs. The effect of mutations on the amount of RCs in chromatophores was analyzed and it was found that the I(M206)Q mutation leads to a twofold decrease in the RC content in chromatophores, the introduction of disulfide bonds on the cytoplasmic or periplasmic sides of the complex reduces the amount of RCs in membranes by a third, the triple substitution I(M206)Q/G(M19)C/T(L214)C – almost 4 times, and substitutions
I(M206)Q/V(M84)C/G(L278)C lead to disruption of RC assembly in the membrane. It was shown that the introduction of an inter-subunit S-S bond on the cytoplasmic surface of the complex did not have a significant effect on the thermal stability of the I(M206)Q RC. Our own and literature data on the factors influencing the assembly processes and ensuring the stability of the structure of integral membrane complexes are discussed.

About the authors

T. Yu. Fufina

Institute of Basic Biological Problems, Russian Academy of Sciences, Pushchino Scientific Center for Biological Research, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vsyulya20@yandex.ru
Pushchino, Moscow Region

L. G. Vasilieva

Institute of Basic Biological Problems, Russian Academy of Sciences, Pushchino Scientific Center for Biological Research, Russian Academy of Sciences

Email: vsyulya20@yandex.ru
Pushchino, Moscow Region

References

  1. Cogdell, R. J., Gall, A., and Köhler, J. (2006) The architecture and function of the light-harvesting apparatus of purple bacteria: from single molecules to in vivo membranes, Q. Rev. Biophys., 39, 227-324, https://doi.org/10.1017/S0033583506004434.
  2. Yeates, T. O., Komiya, H., Chirino, A., Rees, D. C., Allen, J. P., and Feher, G. (1988) Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26 and 2.4.1: protein-cofactor (bacteriochlorophyll, bacteriopheophytin, and carotenoid) interactions, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 7993-7997, https://doi.org/10.1073/pnas.85.21.7993.
  3. Леонова М. М., Фуфина Т. Ю., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2014) Исследование пигмент-белковых взаимодействий в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий, в кн. Современные проблемы фотосинтеза (под ред. Аллахвердиева С.И., Рубина А.Б., Шувалова В.А.), Ижевский институт компьютерных исследований, Москва–Ижевск, том. 1, с. 157-196.
  4. Jones, M. R. (2009) Structural plasticity of reaction centers from purple bacteria, in The Purple Phototrophic Bacteria (Hunter, C. N., Daldal, F., Thurnauer, M. C., and Beatty, J. T., eds) Vol. 28, Springer, Dordrecht, The Netherlands, pp. 295-321, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8815-5_16.
  5. Carter, B., Boxer, S. G., Holten, D., and Kirmaier, C. (2012) Photochemistry of a bacterial photosynthetic reaction center missing the initial bacteriochlorophyll electron acceptor, J. Phys. Chem. B, 116, 9971-9982, https://doi.org/10.1021/jp305276m.
  6. Фуфина Т. Ю., Леонова М. М., Хатыпов Р. А., Христин А. М., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2019) Особенности аксиального лигандирования бактериохлорофиллов в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий, Биохимия, 84, 509-519, https://doi.org/10.1134/S0006297919040047.
  7. Singh, V. K., Ravi, S. K., Ho, J. W., Wong, J. K. C., Jones, M. R., and Tan, S. C. (2018) Biohybrid photoprotein semiconductor cells with deep lying redox shuttles achieve a 0.7 V photovoltage, Adv. Funct. Mater., 28, 1703689, https://doi.org/10.1002/adfm.201703689.
  8. Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г. (2021) Влияние детергентов и осмолитов на термостабильность нативных и мутантных реакционных центров Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 86, 607-614, https://doi.org/10.1134/S000629792104012X.
  9. Holden-Dye, K., Crouch, L. I., Williams, C. M., Bone, R. A., Cheng, J., Böhles, F., et al. (2011) Opposing structural changes in two symmetrical polypeptides bring about opposing changes to the thermal stability of a complex integral membrane protein, Arch. Biochem. Biophys., 505, 160-170, https://doi.org/10.1016/j.abb.2010.09.029.
  10. Fufina, T. Y., Selikhanov, G. K., Gabdulkhakov, A. G., and Vasilieva, L. G. (2023) Properties and crystal structure of the Cereibacter sphaeroides photosynthetic reaction center with double amino acid substitution I(L177)H + F(M197)H, Membranes, 13, 157, https://doi.org/10.3390/membranes13020157.
  11. Fufina, T. Yu., and Vasilieva, L. G. (2023) Role of hydrogen-bond networks on the donor side of photosynthetic reaction centers from purple bacteria, Biophys. Rev., 15, 921-937, https://doi.org/10.1007/s12551-023-01109-x.
  12. Selikhanov, G., Atamas, A., Yukhimchuk, D., Fufina, T., Vasilieva, L., and Gabdulkhakov, A. (2023) Stabilization of Cereibacter sphaeroides photosynthetic reaction center by the introduction of disulfide bonds, Membranes, 25, 154, https://doi.org/10.3390/membranes13020154.
  13. Фуфина Т. Ю., Третчикова О. А., Христин А. М., Хатыпов Р. А., Васильева Л. Г. (2022) Свойства мутантных фотосинтетических реакционных центров пурпурной бактерии Cereibacter sphaeroides с замещением M206 Ile → Gln, Биохимия, 87, 1447-1458, https://doi.org/10.1134/S000629792210008X.
  14. Хатыпов, Р.А., Васильева, Л.Г., Фуфина, Т.Ю., Болгарина, Т.И., Шувалов, В.А. (2005) Влияние замещения изолейцина L177 гистидином на пигментный состав и свойства реакционных центров пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 70, 1527-1533, https://doi.org/10.1007/s10541-005-0256-3.
  15. Jones, M. R., Visschers, R. W., van Grondelle, R., and Hunter, C. N. (1992) Construction and characterization of a mutant strain of Rhodobacter sphaeroides with the reaction center as the sole pigment-protein complex, Biochemistry, 31, 4458-4465, https://doi.org/10.1021/bi00133a011.
  16. Cohen-Basire, G., Sistrom, W. R., and Stanier, R. Y. (1957) Kinetic studies of pigment synthesis by non-sulfur purple bacteria, J. Cell Comp. Physiol., 49, 25-68, https://doi.org/10.1002/jcp.1030490104.
  17. Goldsmith, J. O., and Boxer, S. G. (1996) Rapid isolation of bacterial photosynthetic reaction centers with an engineered poly-histidine tag, Biochim. Biophys. Acta, 1276, 171-175, https://doi.org/10.1016/0005-2728(96)00091-6.
  18. Fufina, T. Y., Vasilieva, L. G., Khatypov, R. A., Shkuropatov, A. Y., and Shuvalov, V. A. (2007) Substitution of isoleucine L177 by histidine in Rhodobacter sphaeroides reaction center results in the covalent binding of PA bacteriochlorophyll to the L subunit, FEBS Lett., 581, 5769-5773, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2007.11.032.
  19. DeLano, W. L. (2022) The PyMOL Molecular Graphics System, URL: http://www.pymol.org (accessed on 8 November 2022).
  20. Kangur, L., Jones, M. R., and Freiberg, A. (2017) Hydrogen bonds in the vicinity of the special pair of the bacterial reaction center probed by hydrostatic high-pressure absorption spectroscopy, Biophys. Chem., 231, 27-33, https://doi.org/10.1016/j.bpc.2017.04.003.
  21. Xie, G., Gross, A. K., and Oprian, D. D. (2003) An Opsin mutant with increased thermal stability, Biochemistry, 42, 1995-2001, https://doi.org/10.1021/bi020611z.
  22. Popov, P., Peng, Y., Shen, L., Stevens, R. C., Cherezov, V., Liu, Z.-J., Katritch, V. (2018) Computational design of thermostabilizing point mutations for G protein-coupled receptors, eLife, 7, e34729, https://doi.org/10.7554/eLife.34729.
  23. Dezi, M., Francia, F., Mallardi, A., Colafemmina, G., Palazzo, G., and Venturoli, G. (2007) Stabilization of charge separation and cardiolipin confinement in antenna–reaction center complexes purified from Rhodobacter sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 1767, 1041-1056, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.05.006.
  24. Bracun, L., Yamagata, A., Christianson, B. M., Shirouzu, M., and Liu, L. N. (2023) Cryo-EM structure of a monomeric RC-LH1-PufX supercomplex with high-carotenoid content from Rhodobacter capsulatus, Structure, 31, 318, https://doi.org/10.1016/j.str.2023.01.006.
  25. Cao, P., Bracun, L., Yamagata, A., Christianson, B. M., Negami, T., Zou, B., Terada, T., Canniffe, D. P., Shirouzu, M., Li, M., and Liu, L.N. (2022) Structural basis for the assembly and quinone transport mechanisms of the dimeric photosynthetic RC-LH1 supercomplex, Nat. Commun., 13, 1977-1977, https://doi.org/10.1038/s41467-022-29563-3.
  26. Doig, J., Andrew, C. D., Cochran, D. A. E., Hughes, E., Penel, S., Ke Sun, J., Stapley, B. J., Clarke, D. T., and Jones, G. R. (2001) Structure, stability and folding of the a-helix, Biochem. Soc. Symp., 68, 95-110, https://doi.org/10.1042/bss0680095.
  27. Doig, A. J. (2008) Stability and design of α-helical peptides, Prog. Mol. Biol. Trans. Sci., 83, 1-52, https://doi.org/10.1016/s0079-6603(08)00601-6.
  28. Swainsbury, D. J. K., Qian, P., Hitchcock, A., and Hunter, C. N. (2023) The structure and assembly of reaction centre-light-harvesting 1 complexes in photosynthetic bacteria, Biosci. Rep., 31, BSR20220089, https://doi.org/10.1042/BSR20220089.
  29. Niederman, R. A., Mallon, D. E., and Langan, J. J. (1976) Membranes of Rhodopseudomonas sphaeroides. IV. Assembly of chromatophores in low-aeration cell suspensions, Biochim. Biophys. Acta, 440, 429-447, https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90076-1.
  30. Cartron, M. L., Olsen, J. D., Sener, M., Jackson, P. J., Brindley, A. A., Qian, P., Dickman, M. J., Leggett, G. J., Schulten, K., and Hunter, C. N. (2014) Integration of energy and electron transfer processes in the photosynthetic membrane of Rhodobacter sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 1769-1780, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2014.02.003.
  31. Sener, M., Strümpfer, J., Abhishek, S., Hunter, C. N., and Schulten, K. (2016) Overall energy conversion efficiency of a photosynthetic vesicle, eLife, 5, e09541, https://doi.org/10.7554/eLife.09541.
  32. Naylor, G. W., Addlesee, H. A., Gibson, L. C. D., and Hunter, C. (1999) The photosynthesis gene cluster of Rhodobacter sphaeroides, Photosynth. Res., 62, 121-139, https://doi.org/10.1023/A:1006350405674.
  33. Mothersole, D., Jackson, P. J., Vasilev, C., Tucker, J. D., Brindley, A. A., Dickman, M. J., and Hunter, C. N. (2016) PucC and LhaA direct efficient assembly of the light-harvesting complexes in Rhodobacter sphaeroides, Mol. Microbiol., 99, 307-327, https://doi.org/10.1111/mmi.13235.
  34. Pugh, R. J., McGlynn, P., Jones, M. R., and Hunter, C. N. (1998) The LH1–RC core complex of Rhodobacter sphaeroides: interaction between components, time-dependent assembly, and topology of the PufX protein, Biochim. Biophys. Acta, 1366, 301-316, https://doi.org/10.1016/s0005-2 2728(98)00131-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Рисунок П1. Электрофорез в денатурирующих условиях в 18%-ном полиакриламидном геле.
Download (133KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».