ИСТИНА

В 2024-2026 гг. предполагается исследование молекулярных механизмов переноса зарядов в пигмент-белковых комплексах фотосистем 1 и 2 цианобактерий и зеленых растений. Планируется изучение влияния конформационной подвижности белков на кинетику переноса электронов в фотосинтетических реакционных центрах. Предполагается исследование влияния температуры и осмолитов на перенос зарядов в электрон-транспортной цепи фотосистемы 1. Планируется исследование кинетики первичных стадий переноса зарядов в реакционных центрах первого и второго типа с помощью фемтосекундной лазерной спектроскопии методом возбуждение-зондирование при низкой температуре в субнаносекундном временном диапазоне. Предполагается изучение взаимодействия комплексов фотосистем 1 и 2 с экзогенными донорами и акцепторами электронов. Также планируется продолжить исследование процессов переноса и захвата энергии возбуждения в фотосинтетических системах пурпурных бактерий, цианобактерий и высших растений. Теоретические работы будут проводиться как на основе квантовых моделей для сложных пигментных систем типа пигмент-белковых комплексов, так и с помощью полуклассических квантовых теорий, использующих для расчета спектров поглощения характеристические функции, такие как спектральная плотность. Работа посвящена выяснению важнейших принципов преобразования энергии света при фотосинтезе у растений, цианобактерий и фотосинтезирующих бактерий. Определена природа первичных и вторичных доноров и акцепторов электронов в ФС 1 и 2, а также в бактериальных РЦ. Выявлены факторы, определяющие асимметричный перенос электрона в ФС 1 и 2. Определены кинетика и спектры первичной и вторичной ион-радикальных пар в ФС 1 и 2. С помощью фемтосекундной лазерной спектроскопии с временным разрешением 20 фс показано, что первичное разделение зарядов в РЦ ФС 1 происходит с рекордно высокой скоростью, короче 100 фс. На основании электростатических и квантово-механических расчетов, а также структуры и диэлектрических свойств белка определены редокс-потенциалы всех кофакторов переноса электронов в ФС 1. С помощью суперкомпьютера МГУ построена молекулярно-динамическая модель ФС 1 в нейтральном состоянии и в состоянии с разделенными зарядами. Определена энергия реорганизации первичных процессов переноса электрона.

In 2024 - 2026 it is planned to study the molecular mechanisms of charge transfer in the pigment-protein complexes of photosystems 1 and 2 of cyanobacteria and green plants. It is planned to study the effect of conformational mobility of proteins on the kinetics of electron transfer in photosynthetic reaction centers. It is planned to study the effect of temperature and osmolytes on charge transfer in the electron transport chain of photosystem 1. It is planned to study the kinetics of the primary stages of charge transfer in the reaction centers of the first and second types using femtosecond laser spectroscopy by excitation-probe at low temperature in the subnanosecond time range. It is planned to study the interaction of complexes of photosystems 1 and 2 with exogenous electron donors and acceptors. In 2024-2026 it is planned to continue the study of the processes of excitation energy transfer and capture in photosynthetic systems of purple bacteria, cyanobacteria and higher plants. Theoretical work will be carried out both on the basis of quantum models for complex pigment systems, such as pigment-protein complexes, and semi-classical quantum theories using characteristic functions, such as spectral density, to calculate absorption spectra. This project is dedicated to elucidating the most important principles of the conversion of light energy during photosynthesis in plants, cyanobacteria and photosynthetic bacteria. The nature of primary and secondary electron donors and acceptors was determined in PS 1 and 2, as well as in bacterial RCs. The factors that determine the asymmetric electron transfer in PS 1 and 2 are revealed. The kinetics and spectra of the primary and secondary ion-radical pairs in PS 1 and 2 are determined. Using femtosecond laser spectroscopy with a time resolution of 20 fs, it is shown that the primary charge separation in PS 1 occurs at a record high speed, shorter than 100 fs. Based on electrostatic and quantum-mechanical calculations, as well as the structure and dielectric properties of the protein, the redox potentials of all electron transfer cofactors in PS 1 are determined. Using the MSU supercomputer, a molecular dynamics model of PS 1 in a neutral state and in a state with separated charges has been constructed. The energy of the reorganization of the primary processes of electron transfer is determined.

-будет исследовано влияние температуры и осмолитов на перенос зарядов в электрон-транспортной цепи фотосистемы 1. -будут исследованы кинетики первичных стадий переноса зарядов в реакционных центрах первого и второго типа с помощью фемтосекундной лазерной спектроскопии методом возбуждение-зондирование при низкой температуре в субнаносекундном временном диапазоне. -будет изучено взаимодействия комплексов фотосистем 1 и 2 с экзогенными донорами и акцепторами электронов -будут определены кинетики и спектры первичной и вторичной ион-радикальных пар в ФС 1 и 2. -на основании электростатических и квантово-механических расчетов, а также структуры и диэлектрических свойств белка будут определены редокс-потенциалы всех кофакторов переноса электронов в ФС 1. -будет построена атомная молекулярно-динамическая модель ФС 1 и определение энергии реорганизации первичных процессов переноса электрона. -будет развито представление о спектрах молекулярных агрегатов при многофотонном возбуждении применительно к фотосинтетическим антенным комплексам. -будет развито описание спектров оптического поглощения фотосинтетических пигментов с использованием теории многомодового броуновского осциллятора, которая позволяет оценить влияние молекулярных колебаний на электронные переходы в пигменте. -будет развита методика оптимизации моделирования спектров поглощения фотосинтетических пигментов с помощью эволюционных алгоритмов.

1. Разработан прямой электрометрический метод, позволивший изучить кинетику, природу и молекулярные механизмы электрогенных реакций, сопровождающих перенос электронов от пластоцианина к терминальному железо-серному кластеру FB в фотосинтетических реакционных центрах ФС 1 и от комплекса окисления воды ко вторичному хинонному акцептору QB в ФС 2. 2. С помощью фемтосекундной лазерной абсорбционной спектрометрии методом «возбуждение-зондирование» исследована кинетика первичного разделения зарядов в комплексах ФС 1 из цианобактерий. 3. С помощью фемтосекундной спектроскопии выявлены кинетика и природа первичных стадий разделения зарядов в комплексах ФС 2 (Shelaev et al. 2008, 2011; Nadtochenko et al. 2014) 4. С помощью импульсной абсорбционной и ЭПР-спектроскопии во временном диапазоне от 100 мкс до 1 с исследовано влияние высушивания в трегалозной стекловидной матрице на кинетику рекомбинации зарядов в комплексах ФС 1 цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803 (Malferrari et al. 2016). 5. Молекулярная динамика (МД), семи-континуальные электростатические и квантово-химические расчеты были использованы для моделирования молекулярных механизмов первичных стадий разделения зарядов в комплексах ФС 1 из цианобактерии Thermosynechococcus elongatus. 6. С помощью МД подхода был проанализирован отклик белка на первичные стадии переноса заряда в БРЦ, был определен диэлектрический отклик белка для реакций заряжения акцепторов в активной цепи переноса электрона, который был аппроксимирован системой ланжевеновских осцилляторов. 7. Результаты по теоретическому моделированию фотосинтетических пигментов были опубликованы ранее (Pishchalnikov et al. 2020; Chesalin et al. 2022; Razjivin et al. 2023; Pishchalnikov et al. 2023). Результаты квантово-механических расчетов путей переноса энергии возбуждения в фотосинтетических пигмент-белковых комплексах были представлены в (Novoderezhkin 2023a; 2023b; Novoderezhkin and Croche 2022; Novoderezhkin and van Grondelle 2017).

Комплексы фотосистемы 1 (ФС 1), выделенные из цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803, были иммобилизованы в высушенной стекловидной матрице дисахарида трегалозы (в присутствии аскорбата натрия и 2,6 дихлорфенолиндофенола в качестве редокс-медиаторов) в герметично закрытых эксикаторах в присутствии солей хлорида лития, карбоната калия, бихромата натрия и хлорида натрия, обеспечивающих парциальное давление водяных паров в эксикаторе на уровнях 11%, 43%, 53% и 75%, соответственно. Кинетика рекомбинации зарядов в этих системах измерялась с помощью импульсной спектрометрии с микросекундным разрешением на длине волны 700 нм. Спектральные изменения на этой длине волны отражают редокс-переходы Р700+/P700. Сопоставление кинетических параметров рекомбинации Р700+ при разных температурах при различной влажности воздуха показало, что быстрая компонента рекомбинации практически не зависит от температуры при всех измеренных условиях. Характер температурной зависимости рекомбинации с железо-серных кластеров ФС1 изменялся при повышении влажности окружающего воздуха; при влажности 43% температурную зависимость проявляла только рекомбинация с терминальных железо-серных кластеров, в то время как при влажности 55% и 75% обе компоненты ускорялись в ~3 раза при повышении температуры с 5 до 35 °С. Было изучено влияние трегалозы на светозависимое образование разности электрических потенциалов (Δψ) природными замкнутыми липидными везикулами - хроматофорами (Хром) из несерных пурпурных бактерий Rhodobacter sphaeroides. Для измерения светозависимого образования мембранного потенциала в хроматофорах были использованы два различных метода регистрации Δψ – (1) классический прямой электрометрический метод и (2) метод измерения Δψ с использованием двух полупроводниковых электродов и зажатого между ними мембранного пористого фильтра. В обоих случаях максимальная амплитуда Δψ была получена в присутствии экзогенных редокс-медиаторов - пары аскорбат/N,N,N’N’-тетраметил-п-фенилендиамин и убихинона UQ0, дисахарида трегалозы и (в случае ITO|Хром–МФ|ITO) ингибитора цитохромного bc1-комплекса – антимицина А. Таким образом, светоиндуцированный перенос электронов в РЦ был основным источником генерации Δψ в системе ITO|Хром–МФ|ITO. Стабильность сигнала при длительном освещении (>1 ч) была обусловлена сохранением конформации, оптимальной для функционирования интегральных белковых комплексов и стабилизацией липидных бислойных мембран в присутствии трегалозы. Сохранение ~70 % амплитуды исходной Δψ в системе ITO|Хром – МФ|ITO на 30-е сутки хранения при температуре 23◦С в темноте на воздухе достигалось после повторного внесения свежего буфера, содержащего редокс-медиаторы. Хотя стабилизация фотоэлектрических ответов при длительном стационарном освещении наблюдалась при использовании обоих методов регистрации Δψ, только в системе ITO|Хром–МФ|ITO светозависимая активность РЦ сохранялась в течение месяца при хранении в темноте при комнатной температуре в присутствии дисахарида трегалозы. Стабильные фотоэлектрические ответы, вероятно, связаны с сохранением интактности белков Хром внутри пор МФ. Стабилизирующее действие трегалозы может быть обусловлено влиянием этого биопротектора как на белки РЦ, так и на фосфолипидную бислойную мембрану. Полученные результаты расширяют современные представления об возможности использования полусинтетических структур на основе интактных фотосинтетических систем, способных преобразовывать солнечную энергию в электрохимическую форму.