Строение и перенос энергии в суперкомплексе PSI–LhcE–LhcbM эугленофита, поглощающем дальнее красное

Как изменчивая водоросль извлекает больше энергии из слабого света

Euglena gracilis — крошечная, гибкая водоросль, способная как к фотосинтезу, так и к поеданию пищи, подобно животным. Она часто обитает в тусклых, фильтрованных прудах и лужах, где большую часть яркого видимого света уже поглотили другие организмы. В этом исследовании показано, как Euglena перепрограммировала одну из своих главных «солнечных панелей», чтобы использовать дальне‑красный свет — оттенки чуть за пределами возможностей большинства зеленых растений — что даёт подсказки для повышения эффективности сельхозкультур и биоинженерных фотосинтетических систем.

Особая «солнечная панель», собранная из двух родословных

Авторы сосредотачиваются на одном из ключевых аппаратов сбора света у Euglena, известном как фотосистема I (PSI). В растениях и водорослях PSI располагается в внутренних мембранах и направляет энергию света в химические реакции, производящие энергию клетки. С помощью высокоразрешающей криоэлектронной микроскопии команда восстановила трёхмерную структуру большого суперкомплекса PSI у Euglena. Этот суперкомплекс объединяет упрощённое «ядро» PSI с чрезмерно большой кольцевой системой белков‑антенн, называемых LhcE и LhcbM. Такая организация отражает необычную историю Euglena: она получила свои хлоропласты, поглотив зелёную водоросль давно, а затем приобрела дополнительные гены от водорослей красной линии. В результате получился химерный аппарат, чья компоновка и пигменты значительно отличаются от знакомых зелёных растений.

Ультракомпактное ядро в окружении сверхбольшой антенны

По сравнению с PSI других зелёных водорослей ядро PSI у Euglena утратило несколько внешних субъединиц, что делает его самым маленьким известным ядром такого типа на уровне генов. Вокруг этого «худого» центра, однако, располагается необычно большая антенная система: 15 комплексов сбора света, организованных в три одиночных и шесть парных модулей. Большинство этих антенных белков принадлежат к семейству LhcE, с одной тесно связанной парой LhcbM с одной стороны. Антенны образуют почти симметричные пары, огибающие ядро в два слоя и создающие плотную оболочку пигментов. Такая архитектура отличается от более регулярного «пояса» антенных белков у зелёных растений и многих водорослей и, по-видимому, тонко настроена на плотную упаковку пигментов при сохранении эффективных связей с ядром.

Специальные пигменты и сдвинутые в красную пару хлорофиллов

Внутри этого кольца команда насчитала сотни молекул хлорофилла и десятки каротиноидных пигментов. Антенные белки Euglena используют необычный каротиноид диадиноксанти́н, который распространён у водорослей красной линии, но отсутствует у типичных зелёных растений. Ещё более примечательно, что во многих антенных модулях обнаружены специальные пары и кластеры молекул хлорофилла a, окружение которых слегка искажает их форму и взаимное расположение. Эти микроскопические изменения смещают их поглощение в область дальнего красного, за пределы возможностей большинства растительных антенн. В парных LhcE‑модулях две такие красно-сдвинутые пары хлорофиллов находятся близко друг к другу на стыках между партнёрами, а дополнительные пигменты расположены точно там, где антенна касается ядра. В совокупности эти черты создают низкоэнергетические «приёмные» участки, особенно эффективные в захвате и удержании дальне‑красного света.

Быстрые энергетические магистрали через гигантскую сеть пигментов

Чтобы выяснить, как энергия фактически течёт, исследователи применили компьютерное моделирование на основе детальной структуры. Они оценили скорости, с которыми возбужденные пигменты передают энергию соседям по всему суперкомплексу. Сеть ведёт себя как многополосная магистраль: энергия, поглощённая во внешних антенных модулях, быстро направляется через ключевые пары хлорофиллов и мостовые пигменты к ядру PSI, обычно в течение триллионных долей секунды. Разные группы антенных модулей снабжают ядро по частично отдельным путям, но все они опираются на небольшое множество стратегически расположенных хлорофиллов, образующих плотные связи на интерфейсах антенна–ядро. Такая схема позволяет Euglena поддерживать очень быстрый, с низкими потерями перенос энергии, даже используя дальне‑красные формы хлорофилла, которые находятся близко к границе полезного солнечного диапазона.

Эволюционные кратчайшие пути и перспективы

Исследование рисует картину PSI у Euglena как эволюционного эксперимента по сбору света. Урезав ядро, перераспределив антенные белки, привлекая каротиноид, обычно ограниченный красными водорослями, и перестроив сайты связывания хлорофилла, Euglena создала компактный, но мощный коллектор дальне‑красного света. Для неспециалистов главный вывод таков: фотосинтетические машины более пластичны, чем считали ранее — их каркас, пигменты и энергетические пути могут быть переинженерены эволюцией для захвата новых участков солнечного спектра. Понимание этих приёмов может направить будущие усилия по созданию культур, водорослей или искусственных систем, более эффективно использующих тусклый или сдвинутый в красную область свет, расширяя места и условия, в которых можно извлекать энергию от солнца.»

Цитирование: Li, K., Qin, BY., Zhang, YZ. et al. Structure and energy transfer of a far-red–absorbing euglenophyte PSI–LhcE–LhcbM supercomplex. Nat Commun 17, 3273 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70067-1

Ключевые слова: фотосистема I, Euglena gracilis, дальне-красный свет, комплексы сбора света, эволюция пластид