Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
70 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
30 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Kis, Mihály Kovács, László Racskóné Domonkos, Ildikó Tóth, Tünde
Starting date
2014-02-01
Closing date
2018-01-31
Funding (in million HUF)
43.323
FTE (full time equivalent)
10.64
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A fotoszintetikus organizmusok tilakoid membránjai, amelyek felelősek a fotoszintetikus energiaátalakításért, rendkívűl összetett és dinamikus rendszerek. A pigment-protein komplexek, hierarchikus módon, multiprotein komplexeket alkotnak, amelyek további, hosszútávú rendezetséget mutató fehérje doménekbe szerveződnek. A hierarchikus szerveződés minden szintjén nagyfokú diverzitás figyelhető meg, ami az adott faj evolúciós adaptációját ill. az organizmus környezeti változásokhoz való akklimatizációját tükrözi. Nem ismert, hogy mely tényezők határozzák meg az adott körülmények között jellemző strukturák kialakulását. A multiprotein komplexek ill. azok rendezett doménekké való összeállása önszerveződéssel jön létre, melynek mechanizmusa kevéssé ismert. A fehérje alegységek közötti interakciót legfőképpen az alegységek egyedi tulajdonságai határozzák meg. A szerkezet ill. a pigmenttartalom csekély változásai a fehérje alegységek interakcióit megváltoztatva eltérő szupramolekuláris organizáció ill. doménszerkezet kialakulását eredményezheti, ami a fotoszintetikus funkciók hangolását teheti lehetővé. A karotenoidok fontos szerepet játszanak a pigment-kötő fehérjék szerkezeti sajátságainak kialakításában. Karotenoidok hiányában számos fehérje nem képes a funkcionális szerkezet kialakítására. Más fehérjék a karotenoid tartalom dinamikus változtatásával flexibilis szerkezeti változásokra képesek. A karotenoidoknak a fehérje alegységek interakcióira ill. rendezett domének kialakulására gyakorolt hatása kevéssé tanulmányozott. Előzetes eredményeink a karotenoidoknak a tilakoid mebránfehérjék szupramolekuláris szerveződésében betöltött meghatározó szerepére utalnak.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A pályázat fő célkitűzése a karotenoidok fotoszintézisben betöltött strukturális és funkcionális szerepének jobb megértése különös tekintettel a tilakoid membrán fehérjéinek hierarchikusan felépűlő makro-domén szerkezetére ill. annak, a fotoszintetikus folyamatok szabályozásával kapcsolatos, dinamikájára gyakorolt hatásaikra. Ennek érdekében különböző karotenoid összetételű organizmusokat keresünk vagy állítunk elő genetikai manipulációval, ill.a nevelési körülmények változtatásával, majd a megváltozott karotenoid összetétel hatását vizsgáljuk a fotoszintetikus fehérjék szupramolekuláris organizációjára ill a tilakoid membrán makro-strukturájára. Továbbá tanulmányozni szeretnénk a makro-strukturák megváltozásának fiziológiai következményeit. A karotenoidok széles választéka található a kölönböző fotoszintetikus organizmusok pigment-kötő fehérjéiben. Ezen élőlénnyek karotenoid összetétele dinamikusan változhat a környezeti feltételektől függően. A pigment tartalomban bekövetkező változások gyakran együtt járnak a membránfehérjéinek szupramolekuláris strukturáinak megváltozásával a tilakoid hierarchikus szerveződésének minden szintjén a szuperkomplexektől a makro-doménekig. Összefüggést keresünk a HPLC analízissel nyert karotenoid összetétel és a multiprotein komplexek ill. azokból felépülő makro-domének strukturái között., melyeket CD és LD spektroszkópiával, in vivo vizsgálunk. A szerkezeti változások funkcionális következményeinek tanulmányozásához a különböző szupramolekuláris organizációval rendelkező modell organizmusok fotoszintetikus jellemzőit fogjuk összehasonlítani különböző környezeti feltételek (hőmérséklet, fényintenzitás, spektrális eloszlás) mellett.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A tilakoid membrán különböző karotenoid összetétel mellett kialakuló macro-domén szerveződéseinek összehasonlítása segíthet azonosítani a tilakoid önszerveződését meghatározó tényezőket. A karotinoidok szerepe az egyes pigment-kötő membránfehérjék szerkezetének kialakításában és stabilizálásában jól bizonyított, azonban a magasabb rendű fehérje asszociátumok és macro-domének kialakulásában betöltött szerepükre csak feltételezések vannak. Előzetes CD spectroszkópiai eredményeink azt sugalják, hogy bizonyos xanthofillek elősegítik a PSI trimer kialakulását cyanobaktériumokban ill. növények tilakoidjaiban a karotenoidok résztvesznek a macro-domének hosszútávú interakcióiban. A tilakoid membránfehérjéinek vizsgálatában a legfőbb nehézséget a magasabb rendű protein- asszociációk nagyfokú instabilitása okozza. A fehérje komplexek elválasztására használatos biokémiai módszerekben elkerülhetetlen a membránok detergensekkel történő szolubilizálása, ami megzavarja a multiprotein komplexek szerkezetét. A macro-domén szerkezeteket tilakoid membránokban először fagyasztva-töréses elektron mikroszkópiai technikákkal mutatták ki, de ezeket a módszereket szintén megkerdőjelezik az alacsony hőmérséklet által indukálható artefaktumok miatt. A macro-domének in vivo jelenlétének igazolása alapvető jelentőségű. A javasolt munkában a strukturális változásra érzékeny nem-invazív spektroszkópiai vizsgálatokat tervezünk. A CD spektroszkópia elterjedten használt módszer izolált fehérjék szerkezetének vizsgálatára. Korábbi munkáinkban megmutattuk, hogy a CD spektroszkópia sikerrel alkalmazható olyan összetett rendszerek tanulmányozására is mint izolált tilakoidok, sőt egész sejtek vagy levelek. Az exciton kölcsönhatásokból származó CD jelek segitségével fogjuk jellemezni a multi-protein komplexeket, míg az un. psi-típusú CD detektálásával a pigment tartalmú fehérje macro-doméneket fogjuk vizsgálni, in vivo. CD spektroszkópiával, szemben az elektronmikroszkópiával, amely csak statikus képet ad a tilakoid membránról, a macro-strukturák időbeli változása is nyomonkövethető. A CD és fluoreszcencia élettartam mérések kombinálásával tanulmányozhatjuk a szupramolekuláris szerkezetváltozások funkcionális aszpektusait is, in situ.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A növények és cianobaktériunok fotoszintetikus folyamatai a tilakoid membránokban mennek végbe. A tilakoid membrán szupramolekuláris komplexekbe szerveződve tartalmazza az összes fehérje és pigment komponenst, amely szükséges a fénybegyűjtéshez és az elnyelt fényenergia kémiai energiává való átalakításához. A fotoszintetikus komplexek hierarhikus önszerveződéssel szupramolekuláris komplexeket hoznak létre, amelyek további, hosszútávú rendezettséget mutató makro-doméneket alkotnak. Míg sok ismeret gyűlt össze a szakirodalomban az egyedi fotoszintetikus protein komplexek nagy feloldású szerkezetéről és működéséröl, sokkal szerényebbek az ismereteink ezen komplexek magasabb rendű szerveződéséről és annak fiziológiai szerepéről. Ezen macro-strukturák nagyfokú diverzitása a növények adaptációs folyamataiban betöltött szerepüket valószínűsíti. A fotoszintetikus fehérjekomplexek az elsődleges szerepük mellett résztvesznek a fénybegyűjtés és energiaátalakítás szabályozásában is, amelynek pontos mechanizmusa nem ismert, de a macro-rendezettség bizonyithatóan fontos szerepet játszik benne. Előzetes eredményeink mutatják, hogy a karotenoidoknak meghatározó szerepük van a macro-rendezetség kialakulásában. A javasolt munka a karotinoidoknak a macro-organizacíóban és a fotoszintetikus funkciók többszintű szabályozásában betöltött szerepét vizsgálja összehasonlító módszerekkel. Olyan növényfajok ill. genetikailag módosított vagy különböző körülmények között nevelt növények tilakoid membránjának macro-organizációját hasonlítjuk össze, amelyekben eltérő a karotenoid összetétel. Továbbá vizsgáljuk a megváltozott macro-domén szerkezetnek a fotoszintetikus funkciókra gyakorolt hatását.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The thylakoid membranes of photosynthetic organisms that perform the photosynthetic energy transduction are very complex and dynamic systems. The pigment-protein complexes are organised to form multiprotein complexes, which also form large domains with long-range order in a hierarchic way. This hierarchic order can vary according to the taxonomic position of the given species reflecting the evolutionary adaptation to a particular ecological niche or to the environmental factors which the individual organisms exposed to. The self assembly of multiprotein complexes and formation of long range ordered structures are not well understood. It is mainly determined of the inherent traits of pigment-protein complexes. Evolution produced many similar but distinct pigment binding proteins that encoded by a few multi gene superfamilies. Slight variations of the structure and pigment content of these proteins can modulate the interactions of protein subunits resulting altered supramolecular or domain structures that may serve the fine tuning of photosynthetic processes. The carotenoid constituents of the pigment-protein complexes have an essential role in the proper protein folding. Some proteins are not folded at all in the absent of proper carotenoids. In other cases the removal or replacement of certain carotenoid provides a structural flexibility to the protein. The effects of carotenoids on the subunit interaction of multiprotein complexes or in long range interaction within macrodomains are less studied, although some recently published data and our preliminary results indicate the role of carotenoids in the supramolecular organisation of thylakoid membrane proteins.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main goal of this proposal is to better understand the structural and functional roles of carotenoids in photosynthetic functions. In particular, we are interested in the influence of carotenoids on the hierarchically organized structures of thylakoid membranes, and on their structural flexibilities in relation to different regulatory mechanisms of the light-energy conversion of plants. To this end we plan to identify plants, growth conditions and generate cyanobacterial mutants with variable carotenoid composition; and then to investigate the consequences of these variations on the organization of different (macro)assemblies of photosynthetic protein complexes and on their physiological functions. A remarkable variety of carotenoid chromophores can be found in various photosynthetic organisms. The carotenoid composition of thylakoid membrane is dynamically changes according to the species and environmental conditions in short and long term as well. These differences in the pigment composition are often accompanied with modified supra-molecular organisations at different levels from pigment-protein complexes to the granum. We are seeking for correlation between the carotenoid composition determined with HPLC analysis and the structure of multiprotein complexes and they long range organisation into protein domains by non-invasive CD and LD spectroscopy methods. To study the physiological relevance of altered supramolecular organization, the photosynthetic performance of the organisms expressing different macromolecular organisations will be compared under different environmental conditions i.e. at different light intensities or spectral composition and temperatures.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The comparison of the differences in the supramolecular organization build up in the presence of various carotenoid composition induced by genetic manipulation or by various physiological states of model organisms might help to understand the key elements that determine the self-organisation of the thylakoid. The role of carotenoids in the structure of protein complexes is well demonstrated but there are only speculations about the role of carotenoids in the multiprotein complex formation. Our preliminary CD results indicate that certain xanthophylls influence the trimer formation of PSI and the participation of carotenoids in long range interaction within thylakoids. The main difficulty in the research of supramolecular organisation of thylakoid membrane proteins is due to the instability of these protein associations. The biochemical techniques used to isolate protein complexes necessarily implies detergent treatment that inevitably perturbs the structure of these complexes. The concept of macrodomain organization of the complexes emerged from cryo-electron microscopy but these techniques are also criticized for the artifacts caused by low temperature. The confirmation of the in vivo presence of these complexes is of paramount importance and demands non-invasive techniques. In our proposal we challenge this problem by using non-invasive methods. CD spectroscopy is widely used for studying the secondary structure of purified proteins. In our earlier works we demonstrated that CD spectroscopy can be successfully applied on more complex systems like thylakoid membranes or even whole leaves. We will apply CD arising from excitonic interactions for the characterization of multiprotein complexes. The psi-type CD signals are assigned to protein macrodomains. The EM techniques provide static information on the structure of thylakoid membrane. They reveal heterogeneity between different organisms and physiological states but carry little information on the putative dynamism of these structures, which can readily be monitored by CD spectroscopy. These new approach of thylakoid organisation can help to address the question how these medium and long range ordered structures are related to the physiological functions.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Life on Earth depends on photosynthesis, the conversion of light energy to chemical energy. Photosynthesis in higher plants takes place in the thylakoid membranes. These internal membranes, unique assemblies of protein, pigment and lipid molecules, accommodate all light-harvesting and energy transducing functions. While a wealth of information has been accumulated in the literature on the high resolution structure and the function of photosynthetic complexes, much less is known about the structure and roles of molecular assemblies of higher hierarchical order. These pigment–protein complexes are organized to form supramolecular complexes, which also form large domains with long-range order. The diversity of these supramolecular structures indicates their role in the adaptation and acclimation of photosynthetic organisms. In addition to their primary function, these complexes participate in the regulation of light energy conversion. The exact mechanisms are not known but it has been well established that some regulatory functions depend on the macrostructure. Recent results indicate that carotenoids are one of the main factors that determine the supramolecular organization of photosynthetic complexes. The present proposal focuses on the role of carotenoids in the organization of complexes into larger assemblies, and in their roles in the multilevel regulatory mechanisms of cyanobacteria and plants. We plan to identify model organisms, growth conditions and mutants with variable carotenoid composition; and then to investigate the consequences of these variations on the organization of different (macro)assemblies of the complexes, and on the physiological functions.
Final report
Results in Hungarian
A karotenoidok szerepe nem csak a fotoszintetikus komplexek védelmében van, hanem a szerkezetek kialakításban is. Megvizsgáltuk az egyes karotinoidok szerpét a funkcióban és szerkezetben Cianobakteriális mutánsok célzott kialakításával megállapítottuk,hogy a 2-es fotokémai renszerhez köthető fénybegyüjtő szerv, a fikobiliszóma szerkezetének lialakításahoz speciális xantofileknek kiemelkedő jelentősége van. A korábban röntgen krisztalográfiával azt bizonyitották, hogy sem a karotinoknak, sem pedig xantofileknek nics szerpe. Vizsgálataink kimutatták, hogy a zeaxanthin és az echinenon molekulák a fikocianin rudak kapcsolódását az alofikocianin magthoz biztosítják. Vizsgálataink során egy a karotinoidokon kivüli másik hidrofób molekulákról, a lipidekről is bizonyítottuk, hogy a karotenoidokon kivül a lipideknek, és a komplexekben lévő fehérjeknek is meghatározó szerepe van, az együtmüködésük során a fotoszintetikus komplexek müködésében és szerkezetük kialakításában.
Results in English
Carotenoids play an important role not only protecting photosynthetic complexes against reactive oxidative species and free redicals but they are crucial composition in structure and functions of cyanobacterial photosynthetic complexes for. We generated several carotenoid mutants of Sznechoczstis PCC 6803, a well known tranmsformable cyanobacterial strain We investigated the structural and functional specific effects of specific carotenoiid by mutant calls. We couuld underline the importance of zeaxanthin and eichinenon in construction of phycobilisome We observed that xanthophyll-less mutants have destourchured phycobilisomes when the phycocyanine rods are mot conected to allophycoicianin cores or the conection is much weaker than in wild type cells. re could also observe that while in wild type cels PST can be organized both in mmonomers and trimers. In phytoen desaturase-less crtB cells we could not see sign of PSI oligomerization, so we think tht for trimerization some cerotenoids are needed. W+ e could prove that xanthophylls are absolutly necesarry for the trimer formation especially zeaxanthin and echinenon are neede.
T. ZAKAR, L. KOVACS, S. VAJRAVEL, E. HERMAN, M. KIS, H. LACZKO-DOBOS, and Z. GOMBOS: Determination of PS I oligomerisation in various cyanobacterial strains and mutants by non-invasive methods, PHOTOSYNTHETICA 56 (1): XXX-XXX,, 2018
Domonkos I, Kis M, Gombos Z, Ughy B.: Carotenoids, versatile components of oxygenic photosynthesis., Prog Lipid Res. 52: 539-61, 2014
Klodawska K, Kovacs L, Varkonyi Z, Kis M, Sozer O, Laczkó-Dobos H, Kobori O, Domonkos I, Strzałka K, Gombos Z, Malec P.: Elevated growth temperature can enhance photosystem-I-trimer formation and affects xanthophyll biosynthesis in cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803 cells., Plant Cell Physiol., 2015
Tóth NT, Chukisina V, Domonkos I, Knoppová J, Komenda J, Kis M, Lénárt Z, TGarab G, Kovács L, Gombos Z, van Amerongen H: Carotenoids are essential for the assembly of cyanobacterial photosynthetic complexes, Biochemica etBiophysica Acta 157: 1153-116, 2015
Kopečná J, Pilný J, Krynická V, Tomčala A, Kis M, Gombos Z, Komenda J, Sobotka R.: Lack of Phosphatidylglycerol Inhibits Chlorophyll Biosynthesis at Multiple Sites and Limits Chlorophyllide Reutilization in Synechocystis sp. Strain PCC 6803., Plant Physiol. 169:1307-17, 2015
Zakar T, Herman E, Vajravel S, Kovacs L, Knoppová J, Komenda J6, Domonkos I, Kis M, Gombos Z, Laczko-Dobos H: Lipid and carotenoid cooperation-driven adaptation to light and temperature stress in Synechocystis sp. PCC6803., Biochim Biophys Acta. (2017) 005-2728(17)30024-5. doi: 10.1016/j.bbabio, 2017
Vajravel S, Kovács L1, Kis M, Rehman AU, Vass I, Gombos Z, Toth TN.: β-Carotene influences the phycobilisome antenna of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803., Photosynth Res. 130:403-415, 2016
Zakar T, Laczko-Dobos H, Toth TN, Gombos Z: Carotenoids Assist in Cyanobacterial Photosystem II Assembly and Function., Front Plant Sci. 2016 Mar 10;7:295. doi: 10.3389/fpls.2016.00295. eCollection, 2016
Tóth TN, Rai N, Solymosi K, Zsiros O, Schröder WP, Garab G, van Amerongen H, Horton P, Kovács L: Fingerprinting the macro-organisation of pigment-protein complexes in plant thylakoid membranes in vivo by circular-dichroism spectroscopy, Biochim Biophys Acta. 1857(9):1479-89. doi: 10.1016/j.bbabio.2016.04.287., 2016
Zakar T, Herman E, Vajravel S, Kovacs L, Knoppova J, Komenda J, Domonkos I, Kis M, Gombos Z, Laczko-Dobos H: Lipid and carotenoid cooperation-driven adaptation to light and temperature stress in Synechocystis sp. PCC6803, BBA-BIOENERGETICS 1858: 337-350, 2017
