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Nature Communications volume 14, número do artigo: 3961 (2023) Citar este artigo

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Ficobilissomas (PBS) são os principais complexos de captação de luz da fotossíntese nas cianobactérias e algas vermelhas. CpcL-PBS é um tipo de pequeno PBS em cianobactérias que transfere energia diretamente para o fotossistema I sem a estrutura central. Aqui relatamos a estrutura crio-EM do CpcL-PBS da cianobactéria Synechocystis sp. PCC 6803 com resolução de 2,6 Å. A estrutura mostra o domínio CpcD da ferredoxina: a NADP+ oxidorredutase está localizada na extremidade distal do CpcL-PBS, responsável por sua ligação ao PBS. Com a evidência de absorção transiente ultrarrápida e espectroscopia de fluorescência, os papéis das bilinas individuais na transferência de energia são revelados. A bilina 1Iβ822 localizada próximo ao fotossistema I tem uma planaridade aprimorada e é a bilina vermelha responsável pela transferência direta de energia para o fotossistema I.

As cianobactérias são um dos primeiros grupos de organismos a converter energia solar em energia química . Eles são os primeiros organismos que criaram a transferência linear de elétrons com dois fotossistemas, o fotossistema II (PSII) e o fotossistema I (PSI), e foram responsáveis ​​pelo aumento do conteúdo de oxigênio na Terra há mais de 2,4 bilhões de anos atrás1,2,3. As principais antenas de captação de luz para capturar energia solar em cianobactérias e algas vermelhas são os ficobilissomas (PBS) , que transferem a energia luminosa absorvida para PSII ou PSI para impulsionar a transferência de elétrons. O PBS consiste em ficobiliproteínas (PBP), que possuem pigmentos ligados covalentemente chamados bilinas e proteínas ligantes . Existem dois tipos de PBS em cianobactérias, o CpcG-PBS e o CpcL-PBS. O CpcG-PBS consiste em duas partes: um núcleo e bastonetes periféricos, que estão associados ao núcleo através das proteínas ligantes CpcG. Estruturas crio-EM PBS recentemente determinadas a partir de algas vermelhas e cianobactérias revelaram como as proteínas ligantes e o PBP são organizados em arquiteturas de coleta de luz altamente ordenadas. O CpcL-PBS possui tamanho bem menor e consiste em apenas um bastão sem núcleo de aloficocianina14,15,16. CpcL-PBS, que está ligado às membranas dos tilacóides através da proteína ligante CpcL (também chamada de CpcG2 em Synechocystis 6803 e CpcG3 em Anabaena 712017), está associada ao PSI18 e é capaz de transferir a energia luminosa absorvida para o PSI16,19. CpcL-PBS também está envolvido na formação do supercomplexo NAD (P) H-desidrogenase (NDH) -CpcL-PBS-PSI (NDH-PBS-PSI) para transferência cíclica de elétrons (CEF) e um estudo recente mostra que a ligação de ferredoxina-NADP + oxidorredutase (FNR) para o CpcL-PBS é necessária para CEF21. A maioria dos FNR de cianobactérias contém três domínios: domínio CpcD, domínio de ligação a FAD e domínio de ligação a NADPH, e o FNR de três domínios (FNR3D) está ligado aos bastonetes periféricos do CpcG-PBS e CpcL-PBS cianobacteriano . No entanto, a ligação de FNR3D aos bastões de PBS não foi observada nas estruturas crio-EM recentemente determinadas CpcG-PBS11,12,13. Para entender o mecanismo de transferência direta de energia de CpcL-PBS para PSI e seu papel na formação do supercomplexo NDH-PBS-PSI, determinamos as estruturas crio-EM do CpcL-PBS com um FNR anexado de Synechocystis 6803. Combinado com espectroscópico de picossegundos Como evidência, nosso estudo revela a natureza da bilina com desvio para o vermelho semelhante ao emissor terminal e esclarece como o CpcL-PBS poderia efetivamente transferir energia luminosa dentro do PBS e para o PSI na ausência de um núcleo de PBS.

Os CpcL-PBS foram preparados a partir de uma cepa de Synechocystis 6803 sem os genes de apcAB24 e os CpcL-PBS purificados foram analisados ​​espectroscópica e bioquimicamente quanto à sua composição e integridade funcional (Figura 1 suplementar). A análise de SDS-PAGE seguida de sequenciamento N-terminal da proteína revelou que o CpcL-PBS purificado continha ficocianina (PC) e proteínas ligantes, incluindo CpcA, CpcB, CpcC1, CpcC2 e CpcL. A preparação CpcL-PBS também contém o FNR de três domínios com massa molecular de 45 kDa (Figura 1e suplementar). O espectro de absorção do CpcL-PBS isolado tem uma absorção máxima em 620 nm (Fig. Complementar 1g), típica de uma absorção de ficocianina. Seu espectro de emissão de fluorescência à temperatura ambiente possui dois picos, um em 648 nm e outro em 668 nm, tal como relatado anteriormente24,25. O pico de emissão a 648 nm é semelhante ao hexâmero de ficocianina com um ligante CpcG , enquanto o pico de emissão a 668 nm da ficocianina (PC) não foi observado em outros trímeros ou bastonetes de PC (Fig. Complementar 1g). A 77 K, é observado um pico de emissão principal a 670 nm (Fig. Complementar 1h). A análise de microscopia eletrônica (EM) de coloração negativa da amostra CpcL-PBS mostra que ela contém estruturas semelhantes a bastonetes e a maioria dos bastonetes contém três hexâmeros. Algumas partículas com mais de três hexâmeros αβ também foram encontradas (Figura 1f Complementar), indicando que os complexos CpcL-PBS são de natureza heterogênea, o que é consistente com um trabalho anterior . Para minimizar a desmontagem do complexo PBS durante a preparação da crio-grade, as amostras foram tratadas com glutaraldeído a 0, 012% e as partículas de CpcL-PBS foram automaticamente selecionadas e classificadas (Figura 2 suplementar). Foi obtido um mapa de densidade de 2, 6 Å de CpcL-PBS contendo hexâmeros de três camadas, o que nos permitiu construir modelos atômicos para todos os cromóforos (bilinas) e cadeias proteicas (Figura 3a-d suplementar). Notavelmente, a arquitetura de três camadas foi a espécie dominante, já que as classificações 2D e 3D não conseguiram enriquecer outras populações. Este complexo CpcL-PBS de três camadas tem 160 Å de comprimento e 100 Å de diâmetro (Fig. 1a-c). O complexo contém 40 subunidades, incluindo 18 monômeros αβ de PC (heterodímero CpcA-CpcB) e três proteínas ligantes, CpcL, CpcC1 e CpcC2 em uma estequiometria 1: 1: 1 (Fig. 1d, e). O domínio CpcD do FNR3D pode ser claramente identificado na extremidade distal do CpcL-PBS (Fig. 1d, e). Os quatro ligantes são organizados em uma ordem de CpcL-CpcC1-CpcC2-CpcD (de FNR3D) de maneira quase linear com CpcL próximo à membrana tilacóide e FNR3D na extremidade distal (Fig. 1d, e). CpcL-PBS se assemelha muito ao bastão de CpcG-PBS de Synechocystis 680313 com um RMSD de 0,4 Å entre eles (Fig. 1f). Esses ligantes formam um esqueleto de ligante que fornece suporte para a montagem de CpcL-PBS e sua associação com PSI (Fig. 1g).