Unik inblick i det inre av backtravens fotosyntesmaskin

För första gången har Umeåforskare med hjälp av kryoelektronmikroskopi lyckats ta fram en högupplöst bild av fotosystem II – fotosyntesens centrala komplex – i modellväxten backtrav. Det enorma komplexet ansvarar för den livsviktiga syrgasproduktionen i fotosyntesen som en gång möjliggjorde liv på vår planet. Studien är publicerad i Scientific Reports.

– Strukturen vi kan se ger oss detaljerad information om de olika kofaktorerna såsom klorofyll och fettmolekylers bindningar i fotosynteskomplex II. Vi har också lyckats visa exakt var och hur detergenter binder och påverkar komplexets stabilitet, säger Wolfgang Schröder, professor på kemiska institutionen vid Umeå universitet som lett studien.

Växtforskarnas ”försöksråtta” har de senaste 25 åren varit växten backtrav, Arabidopsis thaliana. Anledningen till detta är att ”ogräset” växer snabbt även på våra breddgrader och år 2000 lyckades forskare sekvensera alla dess gener.

I centrum för den fotosyntetiska processen står fotosystem II-komplexet. Det innehåller närmare 30 olika proteiner och en rad kofaktorer som olika pigment och metaller och det är utan tvekan ett av de största komplexen i växternas kloroplaster. Den nu publicerade strukturen i studien har samma höga upplösning som de två tidigare strukturerna som tagits fram från spenat och ärta, vilket för första gången möjliggör en jämförelse av växternas fotosystem II-komplex på samma detaljnivå.

– Jag har jobbat med detta komplex sedan jag blev doktorand i växtproteinkemi vid Lunds universitet 1983, det blir hela 38 år!, säger Wolfgang Schröder. Jag minns att jag som doktorand skojade vid fikat att tänk om man skulle kunna dyka in i fotosystem II och titta runt. Och i dag med ny teknik och min extremt duktiga doktorand André Graça och mina två fantastiska forskarkollegor Michael Hall och Karina Persson har vi nu kunnat göra det ”omöjliga”!

Tekniken som forskarna har använt kallas kryoelektronmikroskopi (Nobelpriset i kemi 2017) och den går i korthet ut på att biologiska prover skjuts ner i flytande etan (-190 grader Celsius). Man tar sedan närmare 100 000 tvådimensionella EM-bilder av de slumpmässigt frysta partiklarna. Därefter får en dator göra bildanalyser och sammanställer en 3D-struktur.

– Extra spännande var att se om våra tidigare biokemiska analyser av komplexet var korrekta, lite som ett facit. Oftast är det större forskarlag från olika laboratorier som publicera strukturer med denna storlek och upplösning, eftersom det krävs mycket datatid och arbete, men i detta fall är vi fyra Umeåforskare inom nätverket Integrated Structural Biology , ISB, som åstadkom denna struktur så det är ”lokalproducerad” forskning, säger Wolfgang Schröder leende.

Forskningen är huvusakligen finansierad av Carl Tryggers stiftelse. Data samlades in vid Umeå Core Facility for Electron Microscopy, UCEM, vilken ingår i den nationella infrastrukturen National Microscopy Infrastructure, NMI.

Foton och rörlig bild:

Pressbilder

Rörliga bilder av fotosystem II i backtrav

Om den vetenskapliga studien:

Graça, A.T., Hall, M., Persson, K. et al.: High-resolution model of Arabidopsis Photosystem II reveals the structural consequences of digitonin-extraction. Sci Rep 11, 15534 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41598-021-94914-x

Fördjupning:

Läs mer om UCEM

Integrated Structural Biology, ISB

Läs mer om cryoelektronmikroskopi och Nobelpriset i kemi 2017

För mer information, kontakta gärna:
André T. Graça, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
E-post: andre.graca@umu.se
Telefon: 072-205 68 16

Wolfgang P. Schröder, Kemiska institutionen vid Umeå universitet
E-post: wolfgang.schroder@umu.se
Telefon: 070-589 97 29