ИСТИНА

Фикобилисомы (ФБС) являются гигантскими (5 – 7 МДа) пигмент-белковыми фотосинтетическими комплексами цианобактерий и красных водорослей. ФБС состоят из дисковидных состыкованных в цилиндры фикобилипротеинов (ФБП) и соединяющих их в единое целое линкерных белков. Типичная ФБС имеет две части: центральное трехцилиндровое ядро из аллофикоцианина (АФЦ) и шесть боковых цилиндров, собранных из других ФБП. Для ФБС известны данные электронной микроскопии и результаты рентгеноструктурного анализа отдельных ФБП и их фикобилиновых хромофоров, а также биохимические и спектральные свойства, но данные о молекулярной архитектуре этих макрочастиц практически отсутствуют. Предварительная молекулярная 3D-модель ядра ФБС без учета роли линкеров была предложена авторами проекта (Zlenko et al. 2016; 2017). В проекте запланировано создание полной надмолекулярной модели ФБС, учитывающей положение линкерных белков и прежде всего большого мультидоменного белка АрcE, соединяющего все части ядра и обеспечивающего связь ФБС с фотосистемами I и II тилакоидов и эффективный перенос к ним поглощенной ФБС световой энергии. В проекте будут использованы методы моделирования по гомологии, молекулярного докинга, молекулярной динамики, получение и исследование мутантных ФБС с делетированными доменами АрсЕ. Построение объемной модели позволит произвести расчеты Фëрстеровской миграции энергии между многими десятками хромофоров ФБС и далее к молекулам хлорофилла фотосистем I и II, с которыми макрокомплексы ФБС контактируют на поверхности тилакоидов. Еще одним результатом работы станет детализация сайта связывания ядра ФБС с оранжевым каротиноид-содержащим белком (ОСР), перехватывающим на себя от ФБС избыточную для фотосинтеза энергию яркого света.

Phycobilisomes (PBS) are giant (5-7MDa) photosynthetic pigment-protein complexes found in cyanobacteria and red alga. PBSs are composed of disk-shaped phycobiliproteins (PBP) stacked into cylinders and bound together by linker proteins. The common PBS is composed of two parts: the allophycocyanin (APC) tricylindrical core and six peripheral rods composed of other PBP. The PBS structure was intensively investigated by electron microscopy, X-Ray crystallography of individual PBPs and their chromophores, as well as biochemical and spectroscopy methods. At the same time the molecular details of the whole PBS structure remains almost unknown. The preliminary model of tricylindrical PBS core that does not account the linkers position was proposed earlier by the authors of the project (Zlenko et al, 2016, 2017). The project is devoted to the creation of the molecular model of the full-sized PBS, with the account of the linker polypeptides position. First of all the position and folding of the large multidomain linker ApcE will be considered. The ApcE linker accounts for PBS core assembly, interaction of PBS with thylakoid membrane and energy transfer from PBS to the chlorophyll. The project is based on the methods of molecular docking, homology modeling, molecular dynamics and 3D printing. We also plan to prepare two mutant cyanobacterial strains with deletion of some part of ApcE. The obtained model will allow us to assess the Forster energy migration rates between the chromophores inside the PBS and between the PBS and photosystems. We also plan to clarify the OCP protein binding site position on the PBS surface. The OCP serves as a photoprotector and dissipates the excess of the collected energy under strong light conditions.

В результате реализации проекта будут построены молекулярные модели целой ФБС, имеющей трёхцилиндровое ядро, рядов, образованных ФБС на поверхности тилакоидной мембраны и сплошного мембранного слоя ФБС. Надмолекулярная структура ФБС и их слоев неизвестна, хотя, как отмечалось, она имеет решающее значение для понимания функционирования ФБС в качестве светособирающей пигментной антенны. Также будет построена количественная кинетическая схема миграции энергии в пределах ядра ФБС, целой ФБС и слоя ФБС. Модель целой ФБС и ряда ФБС уже построена в первом приближении. Результаты молекулярного моделирования наравне с кинетической схемой миграции энергии в этих структурах лягут в основу научной публикации. Будет получен ряд экспериментальных результатов, направленных на детализацию построенных моделей. В частности методами генной инженерии будут сконструированы мутантные ФБС из Synechocystis sp. PCC 6803, в которых белок АрсЕ будет лишен либо дополнительной петли в хромофор-связывающем домене, либо самого домена, или же в котором РВ-домен будет заменен на полипептидную субъединицу обычного АФЦ. В полученных мутантных цианобактериальных клетках спектроскопическими методами будут исследованы: нефотохимическое тушение ФБС и перенос энергии с ФБС на ФС I и ФС II. По результатам первого эксперимента будут сделаны выводы о положении сайта связывания ОСР на поверхности ФБС, в то время как второй необходим для проверки выводов о структуре комплекса ФБС с обеими фотосистемами. Результаты будут оформлены в виде трех отдельных публикаций. Будет экспериментально исследован перенос энергии между ФБС и тримерной и мономерной формами ФС I. Регистрируя кинетику фотоокисления Р700 в присутствии и в отсутствие ФБС, можно весомо подкрепить выводы о структуре комплекса ФБС с ФС I и сделанный ранее вывод о том, что ФБС не может эффективно взаимодействовать с тримером ФС I, что уже показано в предварительном эксперименте. Результаты будут опубликованы в отдельной статье после осуществления описанных экспериментов. Наконец, нами запланированы прецизионные измерения кинетики затухания флюоресценции ФБС и ФС II в клетках Synechocystis sp. PCC 6803 в Состояниях 1 и 2, что позволит экспериментально доказать существование переноса энергии в ряду и сплошном слое ФБС на поверхности тилакоидной мембраны. Этот результат имеет принципиальное практическое значение, так как позволяет рассматривать ФБС в качестве природных квантовых точек с регулируемыми размерами и числом хромофоров, а также создавать искусственные пигментные светособирающие антенны. Прикладное значение ФБП ФБС, постоянно растет. Они используются как антиоксиданты и иммуномодуляторы в фармакологии, как световые сенсибилизаторы в дерматологии, как натуральные красители в легкой промышленности. Флуоресценция ФБП и ФБС служит индикатором загрязненности при высотном зондировании пресных водоемов, в оценке биопродуктивности морских акваторий и степени предварительной очистки питьевой воды водохранилищ. В рамках нашего проекта наибольшую роль играет дальнейшее использование ФБС как флуорофоров в микрочипах при ДНК- и белковой диагностике, и использование ФБС как природных квантовых точек. Флуоресценция ряда ФБП в дальней красной области спектра, при 680-715 нм, где резко снижена поглощающая способность клеток и тканей, является чрезвычайно перспективной. Выяснение путей межхромофорной миграции энергии в ФБП и ФБС может сыграть важную роль в создании искусственных преобразователей солнечной энергии.

Zlenko DV, Krasilnikov PM, Stadnichuk IN (2016) J Biomol Struct Dyn 34(3):486–496. Zlenko DV, Krasilnikov PM, Stadnichuk IN (2016) Photosynth Res 130:347–356. Zlenko DV, Galochkina TV, Krasilnikov PM, Stadnichuk IN (2017) Photosynth Res. 133:245-260. Elanskaya IV, Zlenko DV, Lukashev EP, Suzina NE, Kononova IA, Stadnichuk IN (2018) Biophys. Biochim. Acta. 1859:280–291. Stadnichuk IN, Yanyushin MF, Bernát G, Zlenko DV, Krasilnikov PM, Lukashev EP, Maksimov EG, Paschenko VZ (2013) Photochem Photobiol B 125:137–145. Stadnichuk IN, Krasilnikov PM, Zlenko DV, Freidzon AY, Yanyushin MF, Rubin AB (2015) Photosynth Res 124:315–335 Maksimov EG, Schmitt FJ, Shirshin EA, Svirin M, Elanskaya IV, Friedrich T, Fadeev VV, Paschenko VZ, Rubin AB (2014) Biochim Biophys Acta, Bioenergetics. 1837(9):1540–1547. Maksimov EG, Shirshin EA, Sluchanko NN, Zlenko DV, Parshina EY, Tsoraev GV, Klementiev KE, Budylin GS, Schmitt FJ, Friedrich T, Fadeev VV, Paschenko VZ, Rubin AB (2015) Biophys J. 109(3):595–607. Moldenhauer M, Sluchanko NN, Buhrke D, Zlenko DV, Neslihan TN, Schmitt FJ, Hildebrandt P, Maksimov EG, Friedrich T (2017) Photosynth Res.133:327-341. Yaroshevich IA, Krasilnikov PM, Rubin AB (2015) Comp. Theor. Chem. 1070:27–32. П.М. Красильников, Д.В. Зленко, И.Н. Стадничук. Миграция и тушение энергии в фикобилисомах цианобактерий. М.: Научный мир. 2016 г. 121 С.