A reakciócentrum-komplex konformációváltozásai a második fotokémiai rendszerben: kimutatásuk, mechanizmusuk és funkcionális jelentőségük  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
124985
típus KH
Vezető kutató Garab Győző
magyar cím A reakciócentrum-komplex konformációváltozásai a második fotokémiai rendszerben: kimutatásuk, mechanizmusuk és funkcionális jelentőségük
Angol cím Conformational changes of photosystem II reaction center complex: uncovering, mechanism(s) and functional significance
magyar kulcsszavak fotoszintézis, primér folyamatok, lézerspektroszkópia, klorofill fluoreszcencia tranziensek, krisztallográfia, X-FEL
angol kulcsszavak photosynthesis, primary processes, laser spectroscopy, chorophyll fluorescence transients, crystallography, X-FEL
megadott besorolás
Sejtbiológia, molekuláris transzportmechanizmusok (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)60 %
Biofizika (pl. transzport-mechanizmusok, bioenergetika, fluoreszcencia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biofizika
Szerkezeti biológia (krisztallográfia és elektronmikroszkópia) (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)10 %
zsűri Sejt- és Fejlődésbiológia
Kutatóhely Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők Brockhauser Sándor
Bugris Valéria
Dorogi Márta
Lambrev Petar
Maciej Michalik
Magyar Melinda
Nagy Gergely
Nagy László
Sipka Gábor
Ughy Bettina
Zsíros Ottó
projekt kezdete 2017-09-01
projekt vége 2020-02-29
aktuális összeg (MFt) 19.966
FTE (kutatóév egyenérték) 8.50
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
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.
angol összefoglaló
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.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A második fotokémiai rendszert (PSII) - amely a vízbontás katalízise révén szinte kimeríthetetlen elektron (redukáló ekvivalens) forrása szinte valamennyi életfolyamatnak - joggal nevezik az élet motorjának. A PSII atomi-felbontású szerkezetét és alapvető fotokémiai folyamatait jól ismerjük; ugyanakkor a funkcionális változásait leíró - a klorofill változó fluoreszcencia (Fv) mérésére alapozott - modell ellentmondásos. A projekt során az ellentmodásokat sikerült feloldanunk: (i) kimutattuk, hogy az Fv jelentős hányada - a széles körben elfogadott modellel szemben - nem köthető a stabil töltésszétválasztáshoz; (ii) az Fv/Fm paraméter nem azonosítható a PSII kvantumhatásfokával (Fm, fluoreszcencia maximum); (iii) megállapítottuk, hogy a PSII eddig ismert nyitott ill. zárt (stabil töltésszétválasztásra kész ill. arra képtelen) állapotai mellett felvesz egy fényadaptált zárt állapotot is; (iv) ezen állapotok közötti átmenetekben a PSII szerkezeti dinamikájának újabb elemeinek létére mutattunk rá; (iv) megállapítottuk, hogy a PSII működését és szerkezeti dinamikáját a fotokémiai reakciócentrumokban keletkező tranziens és stacionárius lokális elektromos terek és dielektromos relaxációs folyamatok határozzák meg. Eredményeket értünk el a PSII és a tilakoidmembrán állapotainak meghatározásával különböző in vitro kísérleti körülmények és in vivo stressz hatások ill. lipid polimorfizmus-változások mellett. Metodikai és összefoglaló közleményeket jelentettünk meg.
kutatási eredmények (angolul)
Photosystem II (PSII), via catalyzing the splitting of water, provides electrons / reducing equivalents virtually to all life on Earth; thus, it is often called the engine of life. Whereas the near atomic resolution structure and the basic primary photochemical steps of PSII had been revealed, the model – based on variable chlorophyll fluorescence (Fv) measurements - describing its functional activity remained controversial. In the project we have resolved the controversies and (i) have shown that – in contrast to the widely accepted model – a substantial part of Fv does not originate from the stable charge separation event; (ii) the Fv/Fm parameter cannot be equated with the quantum efficiency of PSII (Fm, fluorescence maximum); (iii) in addition to the two hitherto known states of PSII, the open and closed states (respectively, ready and incapable of performing stable charge separation) we identified a charge-separated light-adapted state; (iv) we uncovered a novel element of PSII structural dynamics, associated with the transitions between the two charge-separated states; and (v) pointed out that the functioning and structural dynamics of PSII is largely determined by stationary and transient local electric fields and dielectric relaxation processes. We characterized several in vitro, in vivo and stressed states of PSII and the thylakoid membranes, including the polymorphic phase behavior of thylakoid lipids. We also published some methodological papers and reviews.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124985
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Gábor Sipka, Melinda Magyar, Alberto Mezzetti, Parveen Akhtar, Qingjun Zhu, Yanan Xiao, Guangye Han, Stefano Santabarbara, Jian-Ren Shen, Petar H Lambrev, Győző Garab: Light-Adapted Charge-Separated State of Photosystem II: Structural and Functional Dynamics of the Closed Reaction Center, The Plant Cell, 2021
Redox transients of P680 associated with the incremental chlorophyll-a fluorescence yield rises elicited by a series of saturating flashes in diuron-treated photosystem II core complex of Thermosynechococcus vulcanus: Gábor Sipka, Pavel Müller, Klaus Brettel, Melinda Magyar, László Kovács, Qingjun Zhu, Yanan Xiao, Guangye Han, Petar H. Lambrev, Jian-Ren Shen, Gyozo Garab, Physiologia Plantarum, 2019
Effects of selenate and red Se-nanoparticles on the photosynthetic apparatus of Nicotiana tabacum: Ottó Zsiros, Valéria Nagy, Árpád Párducz, Gergely Nagy, Renáta Ünnep, Hassan El‑Ramady, József Prokisch, Zsuzsa Lisztes‑Szabó, Miklós Fári, József Csajbók, Szilvia Zita Tóth, Győző Garab, Éva Domokos‑Szabolcsy, Photosynthesis Research, 2019
Melinda Magyar, Gábor Sipka, László Kovács, Bettina Ughy, Qingjun Zhu, Guangye Han, Vladimír Špunda, Petar H Lambrev, Jian-Ren Shen, Győző Garab: Rate-limiting steps in the dark-to-light transition of Photosystem II-revealed by chlorophyll-a fluorescence induction, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 2755, 2018
Éva Domokos-SzabolcsyMiklós FáriLászló MártonMihály CzakóSzilvia VeresNevien ElhawatGabriella AntalHassan El-RamadyOttó ZsírosGyőző GarabTarek Alshaal: Selenate tolerance and selenium hyperaccumulation in the monocot giant reed (Arundo donax), a biomass crop plant with phytoremediation potential, Environmental Science and Pollution Research pp 1–13, 2018
Ottó Zsiros, Gergely Nagy, Roland Patai, Katalin Solymosi, Urs Gasser, Tamás F. Polgár , Győző Garab, László Kovács ,Zsolt Tibor Hörcsik: Similarities and Differences in the Effects of Toxic Concentrations of Cadmium and Chromium on the Structure and Functions of Thylakoid Membranes in Chlorella variabilis, Frontiers in plant science, 2020
Ottó Zsiros, Renáta Ünnep, Gergely Nagy, László Almásy, Roland Patai, Noémi K. Székely, Joachim Kohlbrecher, Győző Garab, András Dér, László Kovács: Role of Protein-Water Interface in the Stacking Interactions of Granum Thylakoid Membranes—As Revealed by the Effects of Hofmeister Salts, Frontiers in Plant Science, 2020
Renáta Ünnep, Suman Paul3, Ottó Zsiros, László Kovács, Noémi K. Székely, Gábor Steinbach, Marie-Sousai Appavou, Lionel Porcar, Alfred R. Holzwarth, Győző Garab, Gergely Nagy: Thylakoid membrane reorganizations revealed by small-angle neutron scattering of Monstera deliciosa leaves associated with non-photochemical quenching, Open Biology, 2020
Bettina Ughy,, Václav Karlický, Ondrej Dlouhý , Uroš Javornik, Zuzana Materová, Ottó Zsiros, Primož Šketd, Janez Plavecd, Vladimír Špundab, Gyozo Garab: Lipid-polymorphism of plant thylakoid membranes. Enhanced non-bilayer lipid phases associated with increased membrane permeability, Physiologia Plantarum, 2019
Ondřej Dlouhý , Irena Kurasová, Václav Karlický, Uroš Javornik, Primož Šket, Nia Z Petrova, Sashka B Krumova, Janez Plavec, Bettina Ughy, Vladimír Špunda, Győző Garab: Modulation of non-bilayer lipid phases and the structure and functions of thylakoid membranes: effects on the water-soluble enzyme violaxanthin de-epoxidase, Scientific Reports, 2020
Parveen Akhtar, Dominik Lindorfer, Mónika Lingvay, Krzysztof Pawlak, Ottó Zsiros, Giuliano Siligardi, Tamás Jávorfi, Márta Dorogi, Bettina Ughy, Győző Garab, Thomas Renger, Petar H. Lambrev: Anisotropic Circular Dichroism of Light-Harvesting Complex II in Oriented Lipid Bilayers: Theory Meets Experiment, J. Phys. Chem. B, 2019
Parveen Akhtar, Fanni Görföl, Győző Garab , Petar H. Lambrev: Dependence of chlorophyll fluorescence quenching on the lipid-to-protein ratio in reconstituted light-harvesting complex II membranes containing lipid labels, Chemical Physics, 2019
Gergely Nagy, Győző Garab: Neutron scattering in photosynthesis research: recent advances and perspectives for testing crop plants, Photosynthesis Research, 2020
Christian Wilhelm, Reimund Goss, Gyözö Garab: The fluid-mosaic membrane theory in the context of photosynthetic membranes: Is the thylakoid membrane more like a mixed crystal or like a fluid?, Journal of Plant Physiology, 2020





 

Projekt eseményei

 
2019-07-03 13:45:16
Résztvevők változása




vissza »