Onderzoekers zien voor het eerst hoe planten zonlicht echt vangen in levende cel

Fotosynthese is het proces waarmee planten zonlicht omzetten in bruikbare energie. Twee grote eiwitcomplexen spelen daarin de hoofdrol: fotosysteem I en fotosysteem II. Ze zitten diep verscholen in de thylakoïdmembraan, een gevouwen laag binnenin de chloroplast, het onderdeel van de plantencel waar fotosynthese plaatsvindt. Tot nu toe kenden wetenschappers de bouw van deze complexen vooral uit onderzoek aan geïsoleerde, gezuiverde eiwitten. Dat proces beschadigt echter losse verbindingen, waardoor een deel van de werkelijke structuur verloren gaat.

Een internationaal onderzoeksteam heeft dit probleem nu omzeild. In plaats van de fotosystemen eerst uit de cel te halen, bevroren de onderzoekers rijstchloroplasten razendsnel en fotografeerden ze de eiwitten precies zoals ze in de levende cel zitten. Deze methode heet cryo-elektronenmicroscopie en maakt het mogelijk om moleculen tot op de schaal van atomen te bestuderen, zonder ze eerst te isoleren. Het team analyseerde bijna 23.000 microscoopopnames en bereikte in de kern van de complexen een resolutie van 2,3 ångström, ruwweg de afstand tussen twee gebonden atomen.

Groter antennesysteem dan gedacht

De resultaten laten zien dat fotosysteem II in de levende cel is omringd door 30 losse antenne-eiwitten, de zogeheten lichtoogstende complexen. Deze eiwitten vangen fotonen en sturen de energie door naar de kern van het fotosysteem, waar de daadwerkelijke omzetting plaatsvindt. Vier van deze antenne-eenheden waren in eerder onderzoek nooit gezien, omdat ze te los aan het complex vastzitten en tijdens het zuiveringsproces afbreken. Berekeningen op basis van deze vollediger structuur komen goed overeen met metingen die eerder al in levende planten waren gedaan. Dat bevestigt dat de onderzoekers nu voor het eerst de werkelijke, functionele bouw van het systeem in beeld hebben.

Een skelet voor de plantencel

Behalve het uitgebreide antennesysteem ontdekten de onderzoekers ook grotere groepen van fotosysteem II-complexen die zich aan weerszijden van de membraan aan elkaar hechten. Deze structuren lijken de vorm van de thylakoïdmembraan te bepalen en helpen de membraanlagen op elkaar te stapelen tot de compacte structuren die in bladeren voorkomen. Daarnaast beschreef het team ook fotosysteem I in zijn natuurlijke omgeving, inclusief de bijbehorende antenne-eiwitten.

Samen geven de nieuwe structuren voor het eerst een volledig moleculair beeld van hoe planten pigmenten, vetmoleculen en andere bouwstenen combineren om vrijwel elk fotondeeltje dat op een blad valt, om te zetten in bruikbare energie.