Onderzoekers bepalen structuur van zeer efficiënte lichtantennes in groene bacteriën

Een internationaal team van wetenschappers, met onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit Leiden, heeft de structuur bepaald van chlorofyl in chlorosomen van groene bacteriën. Chlorosomen zijn de lichtantennes van deze bacteriën. Het zijn langwerpige zakjes die tot 250.000 chlorofylmoleculen kunnen herbergen.

Volgens de Leidse hoogleraar biofysische organische chemie Huub de Groot, de aanvoerder van hetteam, kunnen soortgelijke structuren in de toekomst bruikbaar zijn voor de ontwikkeling van ‘kunstmatige bladeren’: nieuwe generaties zonnecellen voor de omzetting van energie uit licht naar brandstoffen, omdat groene bacteriën met een hoge efficiëntie energie uit zonlicht kunnen verzamelen voor de omzetting naar chemische energie.

Nanobuisjes

De structuur blijkt een combinatie van nanobuisjes die om elkaar heen zitten. Dit levert een robuuste en toch plastische structuur op van de lichtantennes in de cel. In de nanobuisjes vormen de chlorofylmoleculen spiralen waarlangs de energie van het licht razendsnel afgevoerd kan worden naar eiwitten in het celmembraan waar de chemische omzetting plaatsvindt.

Evolutie

De flexibele structuur van de chlorosomen geeft de vrijheid om de afmetingen te variëren afhankelijk van de intensiteit van het licht, om grotere antennes te kunnen maken bij een lage lichtintensiteit, en om het chlorofyl op een zeer heterogene manier te organiseren. Die heterogeniteit is zeer effectief voor de optimale absorptie van lichtdeeltjes bij verschillende golflengtes, zo ontdekten de onderzoekers. Deze combinatie van vrijheid in gebondenheid heeft ervoor gezorgd dat de bacteriën zich in de evolutie uitstekend hebben kunnen aanpassen aan woonplaatsen met een extreem lage lichtintensiteit, bijvoorbeeld 100 meter diep in zee.

Laatst bekende structuur

Van planten en algen – de andere organismen die zonlicht omzetten in chemische energie - was al bekend hoe hun lichtabsorberende antennes werkten. Chlorosomen zijn echter zeer heterogeen van moleculaire samenstelling; geen chlorosoom ziet er hetzelfde uit. Daardoor is het oplossen van de structuur met röntgenkristallografie geen optie. Biochemische en microscopische technieken leverden al tientallen jaren tegenstrijdige informatie op.

Nieuwe strategie

De auteurs van het PNAS-artikel ontwikkelden een nieuwe strategie om het probleem op te lossen met een combinatie van genetische technieken en twee geavanceerde bio-imaging methoden: cryo-elektronenmicroscopie en vaste-stof NMR (kernmagnetische resonantie). Met modellering werden de puzzelstukjes bijeengevoegd om een totaalbeeld van het chlorosoom te construeren.

Late genen

Het eerste wat ze deden was drie genen uit de bacterie verwijderen die laat in de evolutie zijn ontstaan. De biologen in het team, onderzoekers verbonden aan de Pennsylvania State University in Amerika, vermoedden dat die ‘late’ genen verantwoordelijk zijn voor de grote efficiëntie waarmee de bacterie licht absorbeert. De chlorosomen van deze mutant – een stapje terug in de evolutie - bleken een veel eenvormiger en simpeler structuur te hebben dan die van de wild type bacterie. Bovendien bleken ze een stuk minder efficiënt te zijn. De heterogeniteit is kennelijk het geheim achter de efficiëntie.

Precieze stapeling

De volgende stap was om de mutant op te kweken en het chlorofyl te verrijken met stabiele koolstof-13 isotopen voor vaste-stof NMR metingen. Dit gebeurde in het Max-Planck Insituut für Bioanorganische Chemie in Duitsland. Volgens de Groot was al na de eerste NMR-metingen duidelijk dat het hier een doorbraak betrof: ‘Voor het eerst kregen we signalen van chlorosomen die ons in staat stelden om de precieze stapeling van het chlorofyl vast te stellen. We konden heel nauwkeurig afstanden tussen de moleculen bepalen en we vonden dat de moleculen om en om gestapeld waren met staarten naar binnen en naar buiten.’

Ringen en buizen

Om van de microstructuur naar de nanobuisjes te komen werd nog weer een andere techniek gebruikt, cryo-elektronenmicroscopie in Groningen. De Groningse onderzoekers vonden een bijzondere regelmaat in de structuur, die alleen maar te verklaren is met een spiraalvormige rangschikking van de moleculen. De Groot: ‘Toen we dat eenmaal in de gaten hadden, was het mogelijk om in de computer nauwkeurig de afmetingen van de spiraal met metingen van de stapeling te combineren en moleculen samen te voegen tot een zeer gedetailleerde structuur van het chlorosoom.’ Het resultaat was een structuur waarin om en om gestapelde chlorofylen ringen en buizen vormen die om elkaar heen zitten. ‘We vonden ook dat de structuur van het wilde type niet alleen minder eenvormig was, maar bovendien de stapels in een andere richting heeft lopen, ongeveer 90 graden ten opzichte van de stapeling in de mutant’,aldus de Groot. ‘De structuur van de mutant staat dus niet op zichzelf, maar verschaft ook inzicht in hoe je op verschillende manieren tot een soortgelijk chlorosoomsysteem kunt komen. Dit inzicht is belangrijk voor de constructie van kunstmatige systemen in een vervolgstap.’

Nieuwe generaties zonnecollectoren

De Groot: ‘De reden dat chlorosomen aantrekkelijk zijn als model voor nieuwe generaties zonnecollectoren is dat ze zo eenvoudig zijn samengesteld en goed werken, al bij zeer weinig licht. In de natuurlijke fotosynthese is de hoeveelheid zonlicht meestal niet de beperkende factor. Groene bacteriën leven echter onder extreem lage lichtintensiteit, met soms maar enkele fotonen per chlorofylmolecuul per dag. Om dan te kunnen overleven op zonne-energie is een huzarenstukje en dankzij het PNAS onderzoek weten we nu veel meer over hoe de natuur dit probleem heeft opgelost. Door de dichte stapeling van chlorofylmoleculen in de buizenstructuur is er een sterke koppeling tussen de moleculen en kan de energie die wordt opgevangen door meer dan honderdduizend moleculen gebundeld worden om voldoende stroom te genereren voor de omzetting naar chemische energie. Bovendien beschermt de structuur zichzelf tegen teveel licht. Een wanordelijke stapeling van moleculen blijkt hierbij te helpen, wat op het eerste gezicht een beetje vreemd lijkt: een rommeliger structuur is in dit geval namelijk beter voor de biologie. Om de kennis en nieuwe inzichten in te biologie toe te passen in de vertaling naar nanogestructureerde materialen voor de conversie van zonlicht naar brandstof is nu de volgende uitdaging.’

Alternating syn-anti bacteriochlorophylls form concentric helical nanotubes in Chlorosomes.

Swapna Ganapathy, Gert T. Oostergetel, Piotr K. Wawryziniak, Michael Reus, Aline Gomez Maqueo Chew, Francesco Buda, Egbert J. Boekema, Donald A. Bryant, Alfred R. Holzwarth, Huub J.M. de Groot.

PNAS Early Edition, 4 mei 2009 www.pnas.org