Development of virtual Photosystem II and photosynthetic electron transport models, and their application for in silico investigations of photosynthetic processes
Virtuális második fotokémiai rendszer és fotoszintetikus elektrontranszport modellek létrehozása és alkalmazásuk in silico fotoszintézis vizsgálatok végzésére
Title in English
Development of virtual Photosystem II and photosynthetic electron transport models, and their application for in silico investigations of photosynthetic processes
Keywords in Hungarian
fotoszintézis, második fotokémiai rendszer, elektron transzport, modellezés, in silico kísérletek
Keywords in English
photosynthesis, Photosystem II, electron transport, modeling, in silico experiments
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Deák, Zsuzsanna Sass, László
Starting date
2012-01-01
Closing date
2014-06-30
Funding (in million HUF)
9.233
FTE (full time equivalent)
2.25
state
closed project
Summary in Hungarian
A tervezett munka célja matematikai modellek megalkotása a PSII és a teljes fotoszintetikus elektrontranszport hálózat működésének értelmezésére. Továbbá, a modellek alkalmazása kísérleti eredmények magyarázatára, virtuális kísérletek végzésére, valamint azok valós kísérletekkel történő igazolására.
1, A PSII modellezésének célja az összes ismert redox komponens elektrontranszport kinetikájának leírása fényimpulzussal és folyamatos fénnyel történő gerjesztés esetén.
2, A fotoszintetikus elektrontranszport modellezésének célja a lineáris, ciklikus és alternatív elektrontranszport utakat tartalmazó hálózat kinetikájának leírása.
3, A modellek alkalmazásának területei: • A vízbontó rendszer működésének a jelenleginél pontosabb leírása • A ciklikus elektrontranszport utak vizgálata, ill. szerepének tisztázása a PSII QA akceptorának redox állapotában megfigyelhető oszcillációban • A PSII fénygátlás mechanizmusának vizsgálata • Az elektrontranszport vizgálata oxigénhiányos körülmények között 4, Publikus szerver működtetése, ami külső felhasználók számára is lehetővé teszi virtuális PSII és elektrontranszport szabályzási kísérletek végzését.
Az alapkutatás jellegű modellezés révén végezhető in silico fotoszintézis vizsgálatok lehetővé teszik a nagyszámú, és valódi kísérletek esetén sokszor csak nehezen előállítható körülmények nagyon gyors és költséghatékony tesztelését, amelyek várhatóan fontos eredményekre vezetnek a fotoszintetikus apparátus működésének jobb megértésében.
Summary
The aim of the work is the construction of mathematical models of PSII electron transport and of the whole photosynthetic electron transport network, as well as application of the models for the interpretation of existing experimental results, performing in silico experiments, and validation of the results by targeted measurements.
1. The aim of PSII modeling is the description of the kinetics of all redox components after excitation with either flash, or continuous illumination. 2. The aim of photosynthetic electron network modeling is the description of the kinetics of linear, cyclic and alternative electron transfer pathways. 3, The models will be used for the interpretation of existing experimental results, performing in silico experiments (and validation of their predictions) in the following areas: • Functioning of the water oxidizing complex. • The role of linear and cyclic electron transport pathways in the oscillation of the QA reduction state. • Mechanism of PSII photoinhibition, with special emphasis on the role of light intensity dependence and PQ reduction state. • Investigation of electron transport under microaerobic conditions. 4, The tested models will be made accessible for outside users via a public web server.
The in silico studies of photosynthetic electron transport will make possible the testing of a high variety of experimental conditions, which are often difficult to realize in real life, in a very short time and for a the fraction of the costs of real experiments, and expected to lead to important new results in better understanding the of the function of the photosynthetic apparatus.
Final report
Results in Hungarian
A projekt célja a fotoszintetikus és kapcsolódó metabolikus elektrontranszport folyamatok matematikai modellezése és egy in silico fotoszintézis rendszer létrehozása volt. Ennek érdekében kifejlesztettünk olyan számítógépes modelleket, amelyek az elektrontranszport hálózatot leíró csatolt differenciálegyenlet rendszerek numerikus megoldása útján képesek a figyelembe vett komponensek mennyiségében bekövetkező kinetikai változások széles időtartományban (ns-h) történő követésére. Tekintettel a figyelembe veendő folyamatok bonyolultságára és a komponensek nagy számára különböző komplexitású részmodelleket hoztunk létre (i) a második fotokémiai rendszer elektrontranszport folyamatainak részletes leírására, (ii) a második fotokémiai rendszer és a tilakoid membránban található plasztokinon elektron hordozók kölcsönhatásának értelmezésére, ill. (iii) a tilakoid membránba ágyazódott és a sztrómában lokalizálódott elektrontranszport komponensek kölcsönhatásainak leírására. Ezen modelleket sikerrel alkalmaztuk a második fotokémiai rendszerben történő szinglett oxigén képződés jellemzésére, a változó klorofill fluoreszcencia lecsengésében megfigyelt hullám jelenség leírására, valamint a Calvin-Benson ciklus és a citokróm-b559 szerepének értelmezésére a fotoinhibíció folyamatában.
Results in English
The aim of the project was the mathematical modeling of photosynthetic and the the connected metabolic electron transport processes in order to develop an in silico photosynthesis system. To meet these aims we have developed mathematical models, which are capable to describe the kinetic changes in a wide time range (ns-h) in the amount and redox state of the involved electron transport components by numerical solution of coupled differential equation systems. Considering the large number of the involved components we have developed various models of different complexity in order to describe: (i) the electron transport processes within the Photosystem II complex, (ii) the interaction of Photosystem II and the thylakoid embedded plastoquinone electron carriers, as well as the interaction of thylakoid embedded electron transport complexes (Photosystem II, Photosystem I, cytb6f, NDH-1) with soluble stromal components (ferredoxin, FNR, NADPH, Calvin-Benson cycle enzymes). These models were successfully applied to the characterization of singlet oxygen production at different light intensities, for the interpretation of a novel wave phenomenon in the realaxation of variable Chl fluorescence, as well as for the role of the Calvin-Benson cycle and the cytb559 component of PSII in photoinhibition.
László Sass, Zsuzsanna Deák, Imre Vass: IN SILICO PHOTOSYNTHESIS: COMPUTER ASSISTED SIMULATION OF ELECTRON TRANSPORT PROCESSES IN PHOTOSYSTEM II, Abstract book: Photosynthesis for Sustainability, Puschino, 2014 June 2-7, 2014
Imre Vass, László Sass, Zsuzsanna Deák: In silico photosynthesis: Computer assisted simulation of electron transport through Photosystem II and Photosystem I, Abstract book: Gordon Research Conference on Photosynthesis, Mount Snow Resort, 2014 Aug. 9-15, 2014
