БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 10, с. 1731–1741

УДК 577.3

Генерация разности электрических потенциалов хроматофорами фотосинтезирующих бактерий в присутствии трегалозы в ответ на стационарное освещение

© 2023 Л.А. Витухновская 1,2, А.А. Заспа 1, М.Д. Мамедов 1*mahirmamedov@yandex.ru

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия

Федеральный исследовательский центр химической физики имени Н.Н. Семёнова РАН, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 27.06.2023
После доработки 20.07.2023
Принята к публикации 26.08.2023

DOI: 10.31857/S0320972523100020

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: хроматофоры, реакционный центр, цитохромный bc1-комплекс, мембранный фильтр, полупроводник, постоянное освещение, электрический потенциал.

Аннотация

Измерение разности электрических потенциалов (Δψ) в мембранных везикулах (хроматофорах) из пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides, ассоциированных с поверхностью нитроцеллюлозного мембранного фильтра (МФ), пропитанного раствором фосфолипидов в декане, а также погруженных внутрь него, в присутствии экзогенных медиаторов и дисахарида трегалозы продемонстрировало увеличение амплитуды и стабилизацию сигнала при стационарном освещении. В качестве медиаторов (донора и акцептора электронов) были использованы пара аскорбат/N,N,N′N′‑тетраметил-п‑фенилендиамин и убихинон‑0 соответственно. Хотя стабилизация фотоэлектрических ответов при длительном стационарном освещении наблюдалась в обоих случаях иммобилизации хроматофоров, только при погружении образцов внутрь МФ сохранялась функциональная активность работы реакционного центра в течение месяца при их хранении в темноте при комнатной температуре. Стабильные фотоответы, вероятно, связаны с сохранением интактности белков хроматофоров внутри пор МФ. Стабилизирующее действие биопротектора трегалозы может быть обусловлено как его влиянием на белки РЦ, так и на фосфолипидную бислойную мембрану. Полученные результаты позволят расширить современные представления об использовании полусинтетических структур на основе различных интактных фотосинтетических систем, способных преобразовывать солнечную энергию в электрохимическую форму.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант № 23‑74‑00025.

Вклад авторов

М.Д. Мамедов – концепция и руководство работой, анализ электрических измерений, написание и редактирование текста статьи; Л.А. Витухновская, А.А. Заспа – выделение бактериальных мембранных везикул (хроматофоров) и проведение электрических измерений.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Bella, F., Gerbaldi, C., Barolo, C., and Grätzel, M. (2015) Aqueous dye-sensitized solar cells, Chem. Soc. Rev., 44, 3431-3473, doi: 10.1039/c4cs00456f.

2. Calió, L., Kazim, S., Grätzel, M., and Ahmad, S. (2016) Hole-transport materials for perovskite solar cells, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 55, 14522-14545, doi: 10.1002/anie.201601757.

3. Najafpour, M. M., Renger, G., Hołyńska, M., Moghaddam, A. N., Aro, E. M., et al. (2016) Manganese compounds as water-oxidizing catalysts: from the natural water-oxidizing complex to nanosized manganese oxide structures, Chem. Rev., 116, 2886-2936, doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00340.

4. Teodor, A. N., and Bruce, B. D. (2020) Putting photosystem I to work: truly green energy, Trends Biotechnol., 38, 1329-1342, doi: 10.1016/j.tibtech.2020.04.004.

5. Singharoy, A., Maffeo, C., Delgado-Magnero, K. H., Swainsbury, D. J. K., Sener, M., et al. (2019) Atoms to phenotypes: molecular design principles of cellular energy metabolism, Cell, 179, 1098-1111, doi: 10.1016/j.cell.2019.10.021.

6. Crofts, A. R. (2021) The modified Q-cycle: a look back at its development and forward to a functional model, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1862, 148417, doi: 10.1016/j.bbabio.2021.148417.

7. Crofts, A. R., Meinhardt, S. W., Jones, K. R., and Snozzi, M. (1983) The role of the quinone pool in the cyclic electron-transfer chain of Rhodopseudomonas sphaeroides: a modified Q-cycle mechanism, Biochim. Biophys. Acta, 723, 202-218, doi: 10.1016/0005-2728(83)90120-2.

8. Glaser, E. C., and Crofts, A. R. (1984) A new electrogenic step in the ubiquinol: cytochrome c2 oxidoreductase complex of Rhodopseudomonas sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 766, 322-333, doi: 10.1016/0005-2728(84)90248-2.

9. Drachev, L. A., Kaminskaya, O. P., Konstantinov, A. A., Mamedov, M. D., Samuilov, A. Y., et al. (1986) Effects of electron donors and acceptors on the kinetics of the photoelectric responses in Rhodospirillum rubrum and Rhodopseudomonas sphaeroides chromatophores, Biochim. Biophys. Acta, 850, 1-9, doi: 10.1016/0005-2728(86)90002-2.

10. Drachev, L. A., Kaurov, B. S., Mamedov, M. D., Mulkidjanian, A. Y., Semenov, A. Y., et al. (1989) Flash-induced electrogenic events in the photosynthetic reaction center and bc1 complexes of Rhodobacter sphaeroides chromatophores, Biochim. Biophys. Acta, 973, 189-197, doi: 10.1016/S0005-2728(89)80421-9.

11. Kaminskaya, O. P., and Semenov, A. Yu. (2021) The mechanisms of electrogenic reactions in bacterial photosynthetic reaction centers: Studies in collaboration with Alexander Konstantinov, Biochemistry (Moscow), 86, 1-7, doi: 10.1134/S0006297921010016.

12. Ajiki, S., Toyotama, H., Hara, M., and Miyake, J. (1997) Light-induced electrical response of chromatophore film in semi-wet photocell with an agar layer containing an electron mediator, Bioelectrochem. Bioenergetics, 43, 71-75, doi: 10.1016/S0302-4598(96)05177-X.

13. Drachev, L. A., Kaulen, A. D., Semenov, A. Yu., Severina, I. I., and Skulachev, V. P. (1979) Lipid-impregnated filters as a tool for studying the electric current-generating proteins, Anal. Biochem., 96, 250-262, doi: 10.1016/0003-2697(79)90580-3.

14. Drachev, L. A., Mamedov, M. D., and Semenov, A. Y. (1987) The antimycin-sensitive electrogenesis in Rhodobacter sphaeroides chromatophores, FEBS Lett., 213, 128-132, doi: 10.1016/0014-5793(87)81477-1.

15. Seibert, M., and Kendall-Tobais, M. W. (1982) Photoelectrochemical properties of electrodes coated with photoactive-membrane vesicles isolated from photosynthetic bacteria, Biochim. Biophys. Acta, 681, 504-511, doi: 10.1016/0005-2728(82)90193-1.

16. Hara, M., Ajiki, S., and Miyake, J. (1998) Topological characterization and immobilization of a chromatophore membrane from Rhodopseudomonas viridis for application as a photoelectrical device, Science, 5, 717-721, doi: 10.1016/S0968-5677(98)00111-4.

17. Magis, G. J., Hollander, M.-J., Onderwaater, W. G., Olsen, J. D., Hunter, C. N., et al. (2010) Light harvesting, energy transfer and electron cycling of a native photosynthetic membrane adsorbed onto a gold surface, Biochim. Biophys. Acta, 1798, 637-645, doi: 10.1016/j.bbamem.2009.12.018.

18. Woronowicz, K., Ahmed, S., Biradar, A. A., Biradar, A. V., Birnie, D. P., et al. (2012) Near-IR absorbing solar cell sensitized with bacterial photosynthetic membranes, Photochem. Photobiol., 88, 1467-1472, doi: 10.1111/j.1751-1097.2012.01190.x.

19. Harrold, J. W., Woronowicz, K., Lamptey, J., Baird, J., Moshar, A., et al. (2013) Functional interfacing of Rhodospirillum rubrum chromatophores to a conducting support for capture and conversion of solar energy, J. Phys. ChemB, 117, 11249-11259, doi: 10.1021/jp402108s.

20. Vitukhnovskaya, L. A., Zaspa, A. A., Semenov, A. Yu., and Mamedov, M. D. (2023) Conversion of light into electricity in a semi-synthetic system based on photosynthetic bacterial chromatophores, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1864, 148975, doi: 10.1016/j.bbabio.2023.148975.

21. Ormerod, J. G., Ormerod, K. S., and Gest, H. (1961) Light-dependent utilization of organic compounds and photoproduction of molecular hydrogen by photosynthetic bacteria; Relationships with nitrogen metabolism, Arch. Biochem. Biophys., 94, 449-463, doi: 10.1016/0003-9861(61)90073-x.

22. Woronowicz, K., Sha, D., Frese, R. N., and Niederman, R. A. (2011) The accumulation of the light-harvesting 2 complex during remodeling of the Rhodobacter sphaeroides intracytoplasmic membrane results in a slowing of the electron transfer turnover rate of photochemical reaction centers, Biochemistry, 50, 4819-4829, doi: 10.1021/bi101667e.

23. Clayton, R. K. (1966) Spectroscopic analysis of bacteriochlorophylls in vitro and in vivo, Photochem. Photobiol., 5, 669-677, doi: 10.1111/j.1751-1097.1966.tb05813.x.

24. Garcia, A. F., Venturoli, G., Gad’on, N., Fernandez-Velasco, J. G., Melandri, B. A., and Drews, G. (1987) The adaptation of the electron transfer of Rhodopseudomonas capsulata to different light intensities, Biochim. Biophys. Acta, 890, 335-345, doi: 10.1016/0005-2728(87)90161-7.

25. Dutton, P. L., Petty, K. M., Bonner, H. S., and Morse, S. D. (1975) Cytochrome c2 and reaction center of Rhodopseudomonas sphaeroides Ga. membranes. Extinction coefficients, content, half-reduction potentials, kinetics and electric field alterations, Biochim. Biophys. Acta, 387, 536-556, doi: 10.1016/0005-2728(75)90092-4.

26. Altamura, E., Albanese, P., Marotta, R., Milano, F., Fiore, M., et al. (2021) Chromatophores efficiently promote light-driven ATP synthesis and DNA transcription inside hybrid multicompartment artificial cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 118, e2012170118, doi: 10.1073/pnas.2012170118.

27. Palazzo, G., Mallardi, A., Giustini, M., Monica, M. D., and Venturoli, G. (2000) Interactions of photosynthetic reaction center with 2,3-dimethoxy-5-methyl-1,4-benzoquinone in reverse micelles, Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 4624-4629, doi: 10.1039/b003905p.

28. Friebe, V. M., Swainsbury, D. J. K., Fyfe, P. K., Heijden, W. V. D., Jones, M. R., and Frese, R. N. (2016) On the mechanism of ubiquinone mediated photocurrent generation by a reaction center based photocathode, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1857, 1925-1934, doi: 10.1016/j.bbabio.2016.09.011.

29. Yaghoubi, H., Li, Z., Jun, D., Saer, R., and Slota, J. E. (2012) The role of gold-adsorbed photosynthetic reaction centers and redox mediators in the charge transfer and photocurrent generation in a bio-photoelectrochemical cell, J. Phys. Chem. C, 116, 24868-24877, doi: 10.1021/jp306798p.

30. Zdarta, J., Meyer, A. S., Jesionowski, T., and Pinelo, M. (2018) A general overview of support materials for enzyme immobilization. Characteristics, properties, practical utility, Catalysts, 8, 92, doi: 10.3390/catal8020092.

31. Imam, H. T., Marr, P. C., and Marr, A. C. (2021) Enzyme entrapment, biocatalyst immobilization without covalent attachment, Green Chem., 23, 4980-5005, doi: 10.1039/D1GC01852C.

32. Grattieri, M., Rhodes, Z., Hickey, D. P., Beaver, K., and Minteer, S. D. (2019) Understanding biophotocurrent generation in photosynthetic purple bacteria, ACS Catal., 9, 867-873, doi: 10.1021/acscatal.8b04464.

33. Zaspa, A. A., Vitukhnovskaya, L. A., Mamedova, A. M., Semenov, A. Y., and Mamedov, M. D. (2020) Photovoltage generation by photosystem II core complexes immobilized onto a Millipore filter on an indium tin oxide electrode, J. Bioenerg. Biomembr., 52, 495-504, doi: 10.1007/s10863-020-09857-1.

34. Zaspa, A., Vitukhnovskaya, L., Mamedova, A., Allakhverdiev, S. I., Semenov, A., and Mamedov, M. D. (2022) Voltage generation by photosystem I complexes immobilized onto a millipore filter under continuous illumination, Int. J. Hydrogen Energy, 47, 11528-11538, doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.01.175.

35. Jackson, J. B., and Crofts, A. R. (1971) The kinetics of light induced carotenoid changes in rhodopseudomonas spheroides and their relation to electrical field generation across the chromatophore membrane, Eur. J. Biochem., 18, 120-130, doi: 10.1111/j.1432-1033.1971.tb01222.x.

36. Michels, P., Hellingwerf, K. J., Lolkema, J. S., Friedberg, I., Konings, W. N. (1981) Effects of the medium composition on the components of the electrochemical proton gradient in Rhodopseudomonas sphaeroides, Arch. Microbiol., 130, 357-361, doi: 10.1007/BF00414600.

37. Mamedov, M. D., Nosikova, E. S., Vitukhnovskaya, L. A., Zaspa, A. A., and Semenov, A. Yu. (2018) Influence of the disaccharide trehalose on the oxidizing side of photosystem II, Photosynthetica, 56, 236-243, doi: 10.1007/s11099-017-0750-z.

38. Mobius, K., Savitsky, A., Malferrari, M., Francia, F., Mamedov, M., et al. (2020) Soft dynamic confinement of membrane proteins by dehydrated trehalose matrices: high-field EPR and fast-laser studies, Appl. Magn. Reson., 50, 773-850, doi: 10.1007/s00723020-01240-y.

39. Simongini, M., Puglisi, A., Genovese, F., and Hochkoeppler, H. (2023) Trehalose counteracts the dissociation of tetrameric rabbit lactate dehydrogenase induced by acidic pH conditions, Arch. Biochem. Biophys., 740, 109584, doi: 10.1016/j.abb.2023.109584.

40. Tang, M., Waring, A. J., and Hong, M. (2007) Trehalose-protected lipid membranes for determining membrane protein structure and insertion, J. Magn. Reson., 184, 222-227, doi: 10.1016/j.jmr.2006.10.006.

41. De Moura Torquato, L. D., and Grattieri, M. (2022) Photobioelectrochemistry of intact photosynthetic bacteria: advances and future outlook, Curr. Opin. Electrochem., 34, 101018, doi: 10.1016/j.coelec.2022.101018.