 |
Conformational changes of photosystem II reaction center complex: uncovering, mechanism(s) and functional significance
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124985 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Garab, Győző |
| Title in Hungarian |
A reakciócentrum-komplex konformációváltozásai a második fotokémiai rendszerben: kimutatásuk, mechanizmusuk és funkcionális jelentőségük |
| Title in English |
Conformational changes of photosystem II reaction center complex: uncovering, mechanism(s) and functional significance |
| Keywords in Hungarian |
fotoszintézis, primér folyamatok, lézerspektroszkópia, klorofill fluoreszcencia tranziensek, krisztallográfia, X-FEL |
| Keywords in English |
photosynthesis, primary processes, laser spectroscopy, chorophyll fluorescence transients, crystallography, X-FEL |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Molecular biophysics | | Structural biology (crystallography and EM) (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Brockhauser, Sándor
Bugris, Valéria
Dorogi, Márta
Lambrev, Petar
Maciej, Michalik
Magyar, Melinda
Nagy, Gergely
Nagy, László
Sipka, Gábor
Ughy, Bettina
Zsíros, Ottó
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2020-02-29 |
| Funding (in million HUF) |
19.966 |
| FTE (full time equivalent) |
8.50 |
| 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 pályázat fő célkitűzése a fotoszintézis második fotokémiai rendszerében (PSII), a reakciócentrum komplexben lejátszódó - laboratóriumunkban korábban kimutatott, bár széles körben még nem elfogadott – szerkezetváltozások természetének, fizikai mechanizmusának és élettani jelentőségének tisztázása; melyeket összefüggésbe szeretnénk hozni a PSII-vel rokon bakteriális reakciócentrum –tisztázatlan eredetű, de részletesebben dokumentált – fényindukált konformációváltozásaival. Egyúttal célul tűzzük ki a PSII fotokémiai rendszerének működéséhez kapcsolódó variábilis fluoreszcencia eredetének meghatározását, amely – korábbi eredményeink és a most folyó előzetes kísérleteink szerint, ellentétben az évtizedek óta elfogadott értelmezéssel - nem rendelhető kizárólag a kinon akceptor redukciójához, hanem jelentős részben a reakciócentrum-komplex szerkezetváltozásaiból ered.
A fenti célok érdekében növényi tilakoidmembránokon és PSII-ben dúsított (BBY) partikulumokon, cianobakteriális PSII ‘core’ komplexeken és (mikro)kristályokon, valamint különböző cianobakteriális lipid- és rekaciócentrum-mutánsokon végzünk – széles, fiziológiás és kriogenikus hőmérsékleti tartományban – klorofill-fluoreszcencia tranziens és ultragyors fluoreszcencia spektroszkópiai méréseket. Ezek egy részét, mutatis mutandis, bakteriális reakciócentrumokon is elvégezzük, amelyeken – mutánsokat is használva – stacionárius és fényindukciós izotróp és anizotróp cirkuláris dikroizmus (CD és ACD) méréseket is végzünk. A PSII szerkezetváltozások természetének meghatározása érdekében időben bontott FTIR vizsgálatokat, valamint – (mikro)kristályokon – femtoszekundumos (X-FEL) krisztallográfiai méréseket végzünk.
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 kutatás két legfontosabb alapkérdése:
(i) A PSII reakciócentrum szerkezete miként reagál a primér töltésszétválasztást követően kialakuló lokális elektromos térre és a kapcsolódó töltésmozgásokra, valamint az elektrontranszportláncban lejátszódó redox lépésekre? Más fogalmazásban: statikus vagy dinamikus a reakciócentrum szerkezete, és ha dinamikus, mekkora szabadságot enged(het) meg a benne lévő komponenseknek? Alkérdés: mennyiben hasonlít a PSII dinamikája a bakteriális reakciócentrum szerekezeti dinamikájához.
(ii) Mi a variábilis fluoreszcencia fizikai eredete? Ez a paraméter (Fv/Fm), amely összefüggésbe hozható a PSII kvantumhatásfokával is, a fotoszintézis kutatás talán leggyakrabban használt paramétere. Az általánosan elterjedt értelmezés szerint a fluoreszcencia csak a kinon akceptor (QA) redukciós állapotától függ. Ennek kizárólagosságát azonban több kutató kétségbe vonja. Értelmezésünk szerint az Fv részben a reakciócentrumban – a töltésszétválasztást követő – konformációváltozások következménye.
Munkahipotézisünk:
A szerkezetváltozás a reakciócentrum protein-lipid mátrixának válasza a kialakuló rendkívül intenzív elektromos térre; természetét illetően a hidrogénhídak átrendeződésétől az egyes aminosav csoportok elmozdulásáig több lehetőség is van. A válaszreakció erősen hőmérsékletfüggő, és ezért a - reakciócentrum funkcióját, különböző rekacióútjainak kinetikai paramétereit is befolyásoló - fényadaptált állapot elérése csak többszörös gerjesztés révén érhető el. Valószínűsíthető, hogy ebben – rekombinációs mechanizmusokhoz köthető – disszipációs folyamatok is szerepet játszanak, amelyek, tranziens módón, ‘felolvasztják’ a mátrixot.
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 fotoszintézis második fotokémiai rendszere (PSII) egy nagy méretű homodimér protein komplex, amely cianobaktériumok, algák és növények tilakoidmembránjaiban található. A PSII katalizálja a víz fotooxidációját, ami molekuláris oxigén felszabadításával jár, és aminek köszönhető a Föld oxigénben dús atmoszférája (és ezért az ózonpajzsa is) és ezek fenntartása. A PSII – redukáló ekvivalensek termelésével – részt vesz a széndioxid fixálásában, cukrok szintézisében. Evolúciós szerepe, és a Bioszféra élőlényeinek táplálásában betöltött alapvető fontosságú szerepe miatt a PSII-t joggal tartják az élet motorjának; ennek ‘tervrajza’ hasznosítható biotechnológiai alkalmazásokban és a mesterséges fotoszintézis megvalósításában. Érthető ezért, hogy a PSII kutatások világszerte jelentős erőkkel folynak, és ismereteink ezen a területen nagyon részletesek mind az ultragyors primér, mind pedig a lassabb reakciókat illetően (töltésszétválasztás és stabilizáció, elektron- és protontranszfer lépések, rekombinációs utak); és ezek jól értelmezhetők a mára ismertté vált atomi felbontású kristályszerkezetekben. Mindazonáltal, néhány fontos kérdés továbbra is tisztázásra vár; köztük, az általunk vizsgálni kívánt kérdések: (i) a PSII ReCe teljesen statikus struktúra-e vagy működése során ill. annak feltételeként dinamikus szerkezettel jellemezhető; (ii) azonosíthatók-e a PSII ReCe-ban a bíborbaktérium ReCe-ában feltárt konformációváltozásokhoz hasonló szerkezetváltozások; és (iii) a PSII változó fluoreszcencia tranziense, a fotoszintézis hatékonyságának jellemzésére legszélesebb körben használt paramétere, valóban kizárólag a kinon akceptor (QA) redukciójától függ?
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 fotoszintézis a földi élet energetikai alapja: közvetve vagy közvetlenül ez szolgáltatja az életfolyamatok fenntartásához szükséges táplálékot. A fotoszintézisnek köszönhetjük az oxigénben dús légkört és így a káros UV sugárzás ellen védő ózonpajzsot is. A fosszilis energiahordozók az elmúlt évmillók fotoszintézisének ’lerakatai’ – ezek adják a ma felhasznált energia mintegy négyötödét. Ilyen nagy mértékű felhasználásuk azonban környezeti katasztrófához vezethet. Ezért ezeket nagy mennyiségben rendelkezésre álló, reális időtávon belül technológiailag elérhető, környezetkímélő energiahordozókkal kell kiváltani. Erre megfelelően átalakított fotoszintetikus szervezetek, vagy azok ’bio-inspirált’ műszaki ’utánzatai’ alkalmasak. A fotoszintézis kutatások célja ezért a természetben lejátszódó folyamatok minél teljesebb megismerése – íly módon megnyitva az utat a legszélesebb körű alkalmazásukra az agráriumban, a környezetvédelemben és az energiatermelésben.
Kutatásaink célja az ún. második fotokémiai rendszer (PSII) működésének jobb megértése. Ezt a magasan szervezett, mintegy három milliárd éve működő molekuláris rendszert az élet motorjának is nevezik: a PSII ún. reakciócentrum komplexében kezdődik meg a fényenergia kémiai energiává alakítása és ez hajtja a víz enzimatikus bontását (az atmoszférába jutó oxigénre és energiahordozóként is felhasználható hidrogén ionokra (protonokra)). Vizsgálataink – melyeket vezető külföldi laboratóriumokkal együttműködve, a legmodernebb eszközökkel és nagyberendezéseken végzünk – tisztázhatják az általunk korábban azonosított fényindukált szerkezetváltozások természetét, fizikai mechanizmusukat és élettani jelentőségüket.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the present proposal is to elucidate the nature, physical mechanism and physiological significance of conformational changes in Photosystem II (PSII) reaction centers (ReCe) – a phenomenon observed earlier in our laboratory but not yet generally accepted -; we would also like to correlate the structural changes in PSII with those in purple bacterial ReCe, where the light-induced conformational changes (albeit with no exact identity) had been more thoroughly documented. At the same time, a related objective of our research is to identify the origin of variable chlorophyll-a fluorescence associated with the photochemical activity of PSII, – according to our previously published results and experimental data from our ongoing research, in contrast to the most widely used interpretation - the transients cannot be assigned solely to the reduction of the first quinone acceptor (QA) but contributed also by (probably subtle) conformational changes in the ReCe complex.
To achieve these goals, we shall perform Chl-a fluorescence transient and (ps) time-resolved fluorescence spectroscopy on isolated plant thylakoid membranes, BBY, PSII core complexes and (micro)crystals as well as cyanobacterial lipid and ReCe mutants, in the physiological and cryogenic temperature ranges. Part of these experiments, mutatis mutandis, will also be carried out on bacterial wild type and mutant ReCe-s, on which steady state and light-induced isotropic and anisotropic circular dichroism measurements will also be performed. In order to obtain information on the nature of structural changes in PSII ReCe-s, time-resolved FTIR and fs X-FEL crystallography experiments will be carried out.
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.
Basic questions:
(i) How the structure of PSII ReCe responds to the intense local electric field formed upon the primary charge separation and to the associated charge movements as well as to the redox steps in the electron transport chain? In other terms, is the structure of ReCe static or dynamic, and if it is dynamic, to what extent and what kind of structural changes are allowed, what components are involved? A related (sub)question is the (extent of) similarity of the dynamic features of PSII ReCe to those of the purple bacterial ReCe.
(ii) What is the origin of the variable fluorescence (Fv)? The parameter Fv/Fm is probably the most frequently used parameter in photosynthesis research. According to the most widely used interpretation, the fluorescence yield depends (virtually) solely on the redox state of QA. This is doubted by several authors and according to our interpretation, Fv reflects, to large extent, conformational changes following the reduction of QA.
Working hypothesis:
The lipid-protein matrix of the ReCe complex responds with subtle structural changes to the appearance of the intense local electric field. For their nature, there are many possibilities, e.g. rearrangement of H-bonds, movements of charged residues etc. The response exhibits a strong temperature dependence, and thus, especially at lower temperatures, the light adapted state - which most likely affects the reaction pathways and kinetic parameters – can be reached only after multiple excitation. It seems likely that heat dissipation (from recombination mechanisms) and ultrafast heat packages capable of transiently ’melting’ the matrix, also play a role.
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.
Photosystem II (PSII) is a large multi-subunit homodimeric protein complex embedded in the thylakoid membranes of cyanobacteria, algae and plants. It catalyzes the photo-oxidation of water, leading to the liberation of molecular oxygen - which created and maintains the oxygen-rich atmosphere and thus also the ozone shield of Earth. It also produces reducing equivalents ultimately used in the conversion of carbon dioxide into sugars. For its pivotal roles in the evolution of life and in feeding virtually all life on Earth, PSII is often called the engine of life. The blueprint of photosynthesis might serve the basis for biotechnological applications and for artificial photosynthesis. Hence, the structure and function of PSII and PSII ReCe, in particular, have been in the focus of photosynthesis research, and today our knowledge on this area is very well advanced: the ultrafast primary and slower secondary processes, charge separation and stabilization, electron and proton transfer and recombination pathways occurring in the ReCe have been determined and these processes can be interpreted using atomic resolution crystallographic structures. Nevertheless, several important questions can be raised which remain to be answered. Among these, (i) it is unclear if the structure of ReCe is static or possesses significant structural dynamics - essential for its function and during operation; (ii) are there conformational changes in PSII ReCe that are similar to those identified in the purple bacterial ReCe; (iii) does the variable chlorophyll fluorescence, that is widely used for testing photosynthetic performance, reflect solely the reduction of the first quinone acceptor (QA)?
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.
Photosynthesis is the energetic basis of life on Earth: it feeds, directly or indirectly, virtually all living organisms in the Biosphere. Our oxygen-rich atmosphere, and thus the ozone shield are of photosynthetic origin. Fossil energy carriers, providing about 80% of our energy consumption worldwide, are solar energy deposits of past million years. Their intensive use might, however, lead to environmental catastrophe. Thus, we must replace these energy carriers with environment-friendly renewable carriers that are abundantly available and are technologically accessible within foreseeable future. For this purpose, biotechnology of photosynthetic organisms and bio-inspired artificial or hybrid technologies might provide solutions. Photosynthesis research is conducted worldwide with the general aims of achieving a deep understanding of these key biological processes – in order to pave the way for applications in wide areas of agriculture, environmental protection and energy production.
The major aim of our research is to achieve a better understanding of Photosystem II, a molecular device which evolved about 3 billion years ago, responsible for the splitting of water to oxygen (released to the atmosphere) and protons (hydrogen ions – which can be utilized as energy carrier). Our research – in collaboration with leading foreign laboratories and using modern techniques, including large research facilities – might clarify the origin, physical mechanism and physiological significance of PSII ReCe conformational changes, observed earlier by us, during the operation of the light reactions of photosynthesis.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
