Весна — солнечного света все больше, все теплее, и в какой-то момент растения просыпаются и начинают расти, зеленеть и цвести так бурно, будто кто-то нажал кнопку невидимого выключателя жизни. А между тем такой выключатель действительно существует — и ученым удалось заглянуть в механизм работы этой интересной молекулы.
Включатель деревьев
Слева – полученная трехмерная структура димера фитохрома. Справа – уточненная модель

Называется она фитохромом, именно эта молекула отвечает за чувствительность растений к свету, передавая «команду» к началу цветения и прорастания семян. Она существует в двух стабильных формах, которые воспринимают свет слегка разной длины волны — одна красный, другая «дальний красный», близкий к невидимому для нас инфракрасному излучению. Поглощая свет, фитохром меняет свою пространственную конфигурацию, что и служит у растений первым звеном в цепи сигналов начинать вырабатывать хлорофилл, цвести, расти и вообще — начинать новый цикл жизни.

«Увидеть, как этот переключатель начинает действовать под действием одного-единственного фотона — это просто завораживающе», — говорит глава группы ученых Хулинь Ли (Huilin Li), под руководством которого и было проведено соответствующее исследование.

Стоит сказать, что как и для других биологических молекул, ключ к функциям фитохрома — в его пространственной структуре, которую ученые выясняют, используя методы ядерного магнитного резонанса (для не слишком крупных молекул) или рентгеноструктурной кристаллографии (для любых). Подходящим для фитохрома считается второй метод, однако до сих пор все попытки использовать его для установления структуры этой молекулы заканчивались неудачей. Фитохром — слишком динамичное образование, не образующее достаточно протяженных и упорядоченных кристаллов. Поэтому все подобные исследования ограничивались изучением структуры лишь отдельных, достаточно стабильных фрагментов фитохрома.

Группе Ли это удалось в полной мере. Для начала они решили работать с фитохромом не растительного, а бактериального происхождения — разница между молекулами в данном случае практически незаметна, а выделить и получить препарат достаточной чистоты из микроорганизмов намного проще. Затем на чистый фитохром был аккуратно напылен тончайший слой металлического красителя, что позволило с большой легкостью рассмотреть молекулу с помощью электронного микроскопа. Конечно, такие изображения плоски, двухмерны, но скомбинировав снимки, сделанные под разными углами, можно получить данные о трехмерной форме исходной молекулы. Параллельно аналогичным образом велись съемки фитохрома в растворе, предварительно заморозив его, чтобы получить данные, не искаженные самим процессом напыления.

Все эти данные были «скормлены» компьютеру, который составил из массы снимков целостную трехмерную картинку структуры фитохрома — а после добавления предыдущих данных о структуре отдельных фрагментов молекулы удалось получить и полноценную модель для всего фитохрома в целом, о расположении каждого из его атомов. Вот как она выглядит.

Фитохром — димер, состоящий из двух одинаковых структур, соединенных длинным, сложно перекрученным и гибким «ремешком». Судя по всему, поглощение фотонов излучения меняет либо силу контакта между мономерами, либо площади этой области контакта. Эти изменения приводят к взаимной переориентации двух частей молекулы, что и служит нужным сигналом.

Пока что ученые изучили лишь форму фитохрома, чувствительную к обычному красному свету. Теперь они намерены заняться второй, поглощающей дальний красный свет. И тогда уже сравнение результатов по обеим формам этой молекулы позволит точнее установить механизм работы этого весеннего «включателя жизни».

Читайте также о том, как была установлена структура «главного калибра» в арсенале вируса СПИДа, белка, с помощью которого он встраивает свою ДНК в ДНК клеток хозяина: «Структурный подход».

По пресс-релизу BNL