Том 90, № 7 (2025): Новые достижения в фотобиохимии и фотобиофизике (специальный выпуск)

Специальный выпуск журнала «Биохимия» «Новые достижения в фотобиохимии и фотобиофизике» посвящён современным исследованиям в области взаимодействия света с живыми организмами и, в частности, обнаружению биофизических и биохимических механизмов формирования биологических ответов на освещение. В этом специальном выпуске опубликованы статьи учёных, занимающихся научными исследованиями в данном направлении и представивших свои научные достижения на I региональном собрании Российского фотобиологического общества и Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы фотобиологии и биофотоники», прошедших с 14 по 19 октября 2024 г. в г. Нижний Новгород на базе Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

В обзоре поднимается вопрос о фотосинтетическом контроле как о защитном механизме, предотвращающем фотоингибирование фотосистемы I в условиях дисбаланса между ассимиляцией CO₂ в ходе цикла Кальвина–Бенсона–Бассама и световыми реакциями в фотосинтетическом аппарате тилакоидов. Рассмотрены пути фотоингибирования фотосистемы I и описаны защитные механизмы, предотвращающие её повреждение на свету. Проанализирована pH-чувствительность окисления пластохинола в хинол-окисляющем сайте цитохромного b₆f-комплекса и описано функционирование двух каналов, выводящих протоны в люмен тилакоида из цитохромного b₆f-комплекса. Рассмотрено влияние активации фотосинтетического контроля на функционирование самого цитохромного b₆f-комплекса и предложена гипотеза о влиянии фотосинтетического контроля на образование активных форм кислорода в фотосистеме I.

Методы сайт-направленного мутагенеза успешно используются в структурно-функциональных исследованиях фотосинтетических реакционных центров (РЦ) пурпурных бактерий. Замечено, что многие аминокислотные замены вблизи кофакторов переноса электрона снижают устойчивость РЦ Cereibacter sphaeroides к температуре и влияют на количество РЦ в мембранах. Ранее нами сообщалось [Selikhanov et al. (2023) Membranes, 25, 154], что внесение межсубъединичных дисульфидных мостиков на периплазматической или цитоплазматической поверхности комплекса способствует увеличению термостабильности РЦ C. sphaeroides. В данной работе предпринята попытка повышения термостабильности мутантного РЦ с замещением Ile M206 на Gln с помощью внесения межсубъединичных дисульфидных связей. Этот РЦ представляет значительный интерес для изучения механизмов ранних процессов переноса электронов в РЦ. Был проведен анализ влияния мутаций на количество РЦ в хроматофорах, и обнаружено, что мутация I(M206)Q приводит к двойному уменьшению содержания РЦ в хроматофорах, внесение дисульфидных связей на цитоплазматической или периплазматической сторонах комплекса снижает количество РЦ в мембранах на треть, тройное замещение I(M206)Q/G(M19)C/
T(L214)С – почти в 4 раза, а замещения I(M206)Q/V(M84)C/G(L278)C приводят к нарушению сборки РЦ в мембране. Показано, что внесение межсубъединичной S–S-связи на цитоплазматической поверхности комплекса не оказало существенного влияния на термостабильность РЦ I(M206)Q. Обсуждаются собственные и литературные данные в отношении факторов, влияющих на процессы сборки и обеспечивающих стабильность структуры интегральных мембранных комплексов.

Выключение экспрессии как гена At3g01500, так и гена At3g52720, кодирующих карбоангидразы βКА1 и αКА1 Arabidopsis thaliana приводило к более низкой КА-активности препаратов стромы хлоропластов из мутантных растений αКА1-КО и βКА1-КО по сравнению с активностью таких препаратов из растений дикого типа (ДТ). Для выявления различий фотосинтетических характеристик растений мутантов и ДТ их выращивали на низком свету (НС; 50–70 мкмоль квантов∙м⁻²∙с⁻¹; естественные условия) и на высоком свету (ВС; 400 мкмоль квантов∙м⁻²∙с⁻¹; стрессовые условия). Скорость ассимиляции СО₂ в растениях αКА1-КО и βКА1-КО, выращенных на НС, измеренная при 400 мкмоль квантов∙м⁻²∙с⁻¹, была ниже, чем в растениях ДТ; скорость фотосинтетического электронного транспорта в растениях αКА1-КО была при этом ниже, а в растениях βКА1-КО – выше, чем в растениях ДТ; содержание СО₂ в хлоропластах было ниже в βКА1-КО, чем в ДТ и в αКА1-КО; значение протон-движущей силы в тилакоидах в βКА1-КО было выше, а в αКА1-КО – ниже, чем в ДТ за счёт изменения величины ΔрН. Полученные результаты позволили предположить, что βКА1 ускоряет поступление неорганического углерода в хлоропласты, тогда как αКА1 – превращение в строме бикарбоната в СО₂ для его использования в реакции, катализируемой рибулозобисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой. В растениях αКА1-КО и βКА1-КО уровни экспрессии генов, кодирующих другие хлоропластные КА, заметно отличались от уровней экспрессии этих генов в ДТ; характер изменений зависел от интенсивности света при выращивании. Содержание пероксида водорода в листьях как в αКА1-КО, так и в βКА1-КО на НС было выше, а на ВС – ниже, чем в ДТ. Аналогичным образом в мутантных растениях изменялись уровни экспрессии генов-маркеров стресса. Обсуждается возможное участие КА стромы хлоропластов в передаче стресс-сигналов в высших растениях.

Некоторые микроводоросли способны к светозависимому выделению водорода после периода анаэробной адаптации, осуществляя таким образом биофотолиз воды. Скорость выделения водорода в начальный момент достигает максимальной скорости фотосинтеза. Однако этот процесс скоротечен: выделяющийся при фотосинтезе кислород быстро инактивирует ключевой фермент биофотолиза, гидрогеназу, и ингибирует его экспрессию. К настоящему времени разработаны подходы, реализующие длительное выделение водорода микроводорослями. Наиболее изученными являются подходы, основанные на переводе микроводорослей в условия недостатка элементов питания. Однако известно, что выделение водорода при недостатке элементов питания всегда сопровождается падением активности фотосистемы 2 (ФС2).
В литературе описано несколько механизмов подавления активности ФС, причём нет однозначного мнения о том, какой механизм является определяющим. Целью данной работы являлась проверка предположения о том, что реализация того или иного механизма подавления ФС2 зависит не только от типа стресса, но и от условий выращивания. Для этого фотоавтотрофную культуру микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii выращивали в условиях недостатка азота или серы при различных световых режимах и анализировали реализацию следующих механизмов подавления активности ФС2: перевосстановленность пула пласто-
хинонов (сопряжённую с перевосстановленностью всей фотосинтетической электронтранспортной цепи), разобщение ФС2 (по кинетике накопления аскорбата и JIP-тесту), виолаксантиновый цикл, анаэробный стресс, сопряжённый с созданием восстановительного редокс-потенциала культуральной суспензии. Обнаружено, что ключевым механизмом, определяющим выделение водорода, является перевосстановленность пула пластохинонов. Другие механизмы также реализуются в различных условиях, но не проявляют однозначной корреляции с выделением водорода. Полученные результаты свидетельствуют, что индуцирование стресса за счёт голодания культур является удобным подходом для изучения выделения водорода микроводорослями, но вследствие низкой активности ФС2 непрактично. Для создания промышленных систем на основе микроводорослей требуются новые подходы, позволяющие полностью реализовать их фотосинтетический потенциал.

Одним из адаптационных механизмов фотосинтезирующих организмов к условиям освещения является перераспределение антенных комплексов между фотосистемами, процесс «изменения состояний», называемый в англоязычной литературе state transitions (ST), который позволяет регулировать количество поглощаемой световой энергии фотосистемами. В литературе многократно показано ингибирование протекания ST при повышении освещенности, однако механизм этого ингибирования до сих пор обсуждается. В настоящей работе изучали влияние Н₂О₂ в разных концентрациях на протекание процесса ST; кроме того, оценивали, на какой из этапов данного процесса влияет Н₂О₂. Объектом исследования являлись функционально активные тилакоиды, изолированные из листьев арабидопсиса. Для оценки протекания ST измеряли спектры низкотемпературной флуоресценции хлорофилла a (F, 650–780 нм) и рассчитывали отношение F745/F685, изменение которого может служить индикатором протекания ST. Показано, что добавка Н₂О₂ приводила к ингибированию ST при освещении тилакоидов светом низкой интенсивности. Кроме того, добавка Н₂О₂ к тилакоидам при низкой интенсивности света приводила к снижению накопления фосфорилированных белков Lhcb1 и Lhcb2, участвующих в ST; это указывает на то, что ингибирование этого процесса является результатом ингибирования активности STN7-киназы. Важно отметить, что Н₂О₂ в выбранных концентрациях не влиял на скорость электронного транспорта, свидетельствуя о том, что ингибирование активности STN7-киназы не связано с ингибированием активности фотосинтетической электрон-транспортной цепи. Кроме того, при добавке Н₂О₂ не наблюдалось снижения уровня фосфорилированного белка реакционного центра ФС2 – D1, являющегося продуктом фосфорилирования тилакоидной STN8-киназы. Таким образом, в работе впервые показан механизм ингибирования активности STN7-киназы и, соответственно, процесса ST.

Множественная устойчивость микроорганизмов к антибиотикам является одним из основных рисков для безопасности и здоровьесбережения населения. Одним из подходов к решению данной проблемы является антимикробная фотодинамическая терапия, однако фотосенсибилизаторы, применяемые в клинической практике в настоящий момент, не обладают достаточной эффективностью в отношении определённых патогенов. Поликатионные молекулярные конструкции усиливают проникновение фотосенсибилизаторов в плохо проницаемые клетки грамотрицательных бактерий. Одним из способов функционализации хлориновых макроциклов является введение в их структуру различных полиэтилениминов. В настоящей работе был проведён синтез разветвлённого тетраамина и реализовано его введение в состав пиррола А молекулы природного хлорина. Изучена фотоиндуцированная токсичность нового фотосенсибилизатора in vitro в отношении бактерий Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa и E. coli. Показано, что полученный хлорин c остатком разветвлённого полиамина обладает повышенным бактерицидным действием при облучении светом по сравнению со своим структурным предшественником.