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Nature Communications volume 14, numero articolo: 3961 (2023) Citare questo articolo

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I ficobilisomi (PBS) sono i principali complessi di raccolta della luce della fotosintesi nei cianobatteri e nelle alghe rosse. CpcL-PBS è un tipo di piccolo PBS nei cianobatteri che trasferisce energia direttamente al fotosistema I senza la struttura centrale. Qui riportiamo la struttura crio-EM del CpcL-PBS del cianobatterio Synechocystis sp. PCC 6803 con risoluzione 2,6 Å. La struttura mostra il dominio CpcD della ferredossina: NADP+ ossidoreduttasi si trova all'estremità distale di CpcL-PBS, responsabile del suo attaccamento al PBS. Con l'evidenza dell'assorbimento transitorio ultraveloce e della spettroscopia di fluorescenza, vengono rivelati i ruoli dei singoli bilini nel trasferimento di energia. La bilina 1Iβ822 situata vicino al fotosistema I ha una planarità migliorata ed è la bilina rossa responsabile del trasferimento diretto di energia al fotosistema I.

I cianobatteri sono uno dei primi gruppi di organismi a convertire l'energia solare in energia chimica1,2. Sono i primi organismi che hanno creato un trasferimento lineare di elettroni con due fotosistemi, il fotosistema II (PSII) e il fotosistema I (PSI), e sono stati responsabili dell'aumento del contenuto di ossigeno sulla terra più di 2,4 miliardi di anni fa1,2,3. Le principali antenne di raccolta della luce per catturare l'energia solare nei cianobatteri e nelle alghe rosse sono i ficobilisomi (PBS)4,5,6,7, che trasferiscono l'energia luminosa assorbita al PSII o al PSI per guidare il trasferimento di elettroni. Il PBS è costituito da ficobiliproteine ​​(PBP), che hanno pigmenti attaccati covalentemente chiamati biline, e proteine ​​​​linker4,8. Nei cianobatteri esistono due tipi di PBS, il CpcG-PBS e il CpcL-PBS. CpcG-PBS è costituito da due parti: un nucleo e bastoncini periferici, che sono associati al nucleo tramite le proteine ​​​​linker CpcG. Strutture PBS crio-EM determinate di recente da alghe rosse9,10 e cianobatteri11,12,13 hanno rivelato come le proteine ​​​​linker e il PBP siano organizzati in architetture di raccolta della luce altamente ordinate. Il CpcL-PBS ha dimensioni molto più piccole ed è costituito da una sola asta senza nucleo di alloficocianina14,15,16. CpcL-PBS, che è attaccato alle membrane tilacoidi attraverso la proteina linker CpcL (chiamata anche CpcG2 in Synechocystis 6803 e CpcG3 in Anabaena 712017), è associata a PSI18 ed è in grado di trasferire l'energia luminosa assorbita a PSI16,19. CpcL-PBS è anche coinvolto nella formazione del supercomplesso NAD(P)H-deidrogenasi (NDH)-CpcL-PBS-PSI (NDH-PBS-PSI) per il trasferimento ciclico di elettroni (CEF)20 e uno studio recente mostra che l'attaccamento di ferredossina-NADP+ ossidoreduttasi (FNR) al CpcL-PBS è richiesto per CEF21. La maggior parte dei FNR cianobatterici contiene tre domini: dominio CpcD, dominio di legame FAD e dominio di legame NADPH, e il FNR a tre domini (FNR3D) è attaccato ai bastoncini periferici del cianobatterico CpcG-PBS e CpcL-PBS22,23,24. Tuttavia, l'attaccamento di FNR3D alle aste PBS non è stato osservato nelle strutture crio-EM CpcG-PBS11,12,13 recentemente determinate. Per comprendere il meccanismo per il trasferimento diretto di energia da CpcL-PBS a PSI e il suo ruolo nella formazione del supercomplesso NDH-PBS-PSI, determiniamo le strutture crio-EM del CpcL-PBS con un FNR allegato da Synechocystis 6803. Combinato con spettroscopia a picosecondi prove, il nostro studio rivela la natura del bilin spostato verso il rosso simile a un emettitore terminale e fa luce su come CpcL-PBS potrebbe trasferire efficacemente l'energia luminosa all'interno del PBS e al PSI in assenza di un nucleo PBS.

CpcL-PBS è stato preparato da un ceppo di Synechocystis 6803 privo dei geni di apcAB24 e il CpcL-PBS purificato è stato analizzato spettroscopicamente e biochimicamente per la sua composizione e integrità funzionale (Figura 1 supplementare). L'analisi SDS-PAGE seguita dal sequenziamento della proteina N-terminale ha rivelato che CpcL-PBS purificato conteneva ficocianina (PC) e proteine ​​​​linker, tra cui CpcA, CpcB, CpcC1, CpcC2 e CpcL. La preparazione CpcL-PBS contiene anche l'FNR a tre domini con una massa molecolare di 45 kDa (Figura 1e supplementare). Lo spettro di assorbimento del CpcL-PBS isolato ha un assorbimento massimo a 620 nm (Figura 1g supplementare), tipico di un assorbimento di ficocianina. Il suo spettro di emissione di fluorescenza a temperatura ambiente presenta due picchi, uno a 648 nm e l'altro a 668 nm, come riportato in precedenza24,25. Il picco di emissione a 648 nm è simile all'esamero di ficocianina con un linker CpcG26,27, mentre il picco di emissione a 668 nm dalla ficocianina (PC) non è stato osservato in altri trimeri o bastoncini di PC (Figura 1g supplementare). A 77 K, si osserva un picco di emissione principale a 670 nm (Figura 1h supplementare). L'analisi al microscopio elettronico a colorazione negativa (EM) del campione CpcL-PBS mostra che contiene strutture simili a bastoncini e la maggior parte dei bastoncini contiene tre esameri. Sono state trovate anche alcune particelle con più di tre esameri αβ (Figura 1f supplementare), indicando che i complessi CpcL-PBS sono di natura eterogenea, il che è coerente con un lavoro precedente24. Per ridurre al minimo il disassemblaggio del complesso PBS durante la preparazione della crio-griglia, i campioni sono stati trattati con glutaraldeide allo 0,012% e le particelle di CpcL-PBS sono state selezionate e classificate automaticamente (Figura 2 supplementare). È stata ottenuta una mappa di densità di 2,6 Å di CpcL-PBS contenente esameri a tre strati, che ci ha consentito di costruire modelli atomici per tutti i cromofori (bilin) ​​e le catene proteiche (Figura 3a-d supplementare). In particolare, l’architettura a tre strati era la specie dominante poiché le classificazioni 2D e 3D non sono riuscite ad arricchire altre popolazioni. Questo complesso CpcL-PBS a tre strati ha una lunghezza di 160 Å e un diametro di 100 Å (Fig. 1a-c). Il complesso contiene 40 subunità, inclusi 18 monomeri PC αβ (eterodimero CpcA-CpcB) e tre proteine ​​​​linker, CpcL, CpcC1 e CpcC2 in una stechiometria 1: 1: 1 (Fig. 1d, e). Il dominio CpcD dell'FNR3D potrebbe essere chiaramente identificato all'estremità distale del CpcL-PBS (Fig. 1d, e). I quattro linker sono organizzati in un ordine di CpcL-CpcC1-CpcC2-CpcD (di FNR3D) in modo quasi lineare con CpcL vicino alla membrana tilacoide e FNR3D all'estremità distale (Fig. 1d, e). CpcL-PBS ricorda da vicino l'asta di CpcG-PBS di Synechocystis 680313 con un RMSD di 0,4 Å tra di loro (Fig. 1f). Questi linker formano uno scheletro di linker che fornisce un supporto per l'assemblaggio CpcL-PBS e la sua associazione con PSI (Fig. 1g).