Лаборатория молекулярной фотобиологии: Группа Молекулярные механизмы рецепции света растениями
Основная тематика работ в Лаборатории молекулярной фотобиологии – сравнительное изучение биологически важных пигментов-фоторецепторов и протекающих в них первичных фотофизических и фотохимических процессов.
Основные научные направления
- Молекулярные механизмы работы фитохрома – ключевого фоторецептора растений.
- Флуоресцентные методы исследования фитохрома в растительных тканях без нарушения их целостности.
- Структурные различия молекулярных типов фитохрома А в растениях и в гетерологической системе E. coli.
- Фотофизиологические реакции растений – стрессовые ответы, адаптация к изменению освещения, регуляция биосинтеза хлорофилла.
Руководитель
Синещёков Виталий Алексеевич
165 комната
??????
Состав группы
| Должность | ФИО |
|---|---|
| Руководитель группы | профессор, д.б.н. В. А. Синещёков |
| Ведущий научный сотрудник | к.б.н. Л. А. Коппель |
| Ю. А. Трушина |
Основные этапы развития работы
1. Исследование пигментов фотосинтеза
На первом этапе изучались пигменты фотосинтеза — хлорофиллы, фикобилины и каротиноиды.
- Была открыта система нативных форм хлорофилла, обеспечивающая эффективный направленный перенос поглощённой световой энергии «вниз по энергетической лестнице» на реакционные центры фотосинтеза (Litvin, Sineshchekov, 1975).
- Установлен и описан перенос энергии в донорно-акцепторном комплексе каротин-хлорофилл (Sineshchekov et al., 1972).
2. Изучение зрительных и бактериальных родопсинов
На следующем этапе внимание было направлено на исследование зрительных и бактериальных родопсинов.
- Была открыта их флуоресценция.
- Установлена её связь с реакцией фотоизомеризации.
- Разработана энергетическая схема первичных фотопроцессов в ретиналь-протеинах (Sineshchekov, Litvin, 1987).
3. Исследование фитохромов растений
Продолжением сравнительного изучения фоторецепторов стали исследования фитохромов растений.
- Обнаружена флуоресценция фитохрома in situ.
- На основе этого открытия разработан новый метод определения фитохрома в растительных тканях in vivo.
- Обнаружены важные общие черты первичных фотопроцессов в фотоизомеризующихся фоторецепторах — ретиналь-протеинах и билипротеинах фитохромах, хромопротеинах с гибкими линейными хромофорами (Sineshchekov, Bekasova, 2020).
Основные направления научной работы группы
Исследование молекулярных механизмов работы фитохрома
Текущие исследования сосредоточены на одной из ключевых проблем фотобиологии — выяснении молекулярных механизмов работы фитохрома, основного фоторецептора растений. Растения, обладая автотрофным питанием и прикрепленным образом жизни, должны постоянно адаптироваться к условиям окружающей среды, особенно к спектральному составу, интенсивности, направлению и периодичности освещения. Для этого они используют систему фоторецепторов, активных в разных участках солнечного спектра. Наиболее важным и изученным является фитохром — хромопротеин с гибким пигментом билином. Под действием света его фотоизомеризация приводит к конформационным изменениям молекулы, активируя фоторецептор. Включенный фитохром модулирует экспрессию фотозависимых генов, регулируя рост и развитие растений в зависимости от условий освещения. Процесс активации и дезактивации фитохрома под действием красного и дальнего красного света делает его эффективным молекулярным переключателем.
Методы исследования
Группа изучает фитохром с использованием флуоресцентных методов, позволяющих определять его содержание и свойства непосредственно в растительных тканях без нарушения их целостности. В настоящее время основное внимание направлено на установление точных структурных различий двух молекулярных типов фитохрома А. Эти исследования проводятся как на растениях разных видов, так и в гетерологической системе трансгенной культуры E. coli, экспрессирующей растительный фитохром.
Фотофизиологические реакции растений
Исследования продолжаются в области фотофизиологических реакций, включая:
- Ответы на стрессовые факторы,
- Долговременную адаптацию к изменяющимся условиям освещения,
- Регуляцию биосинтеза хлорофилла,
- Формирование фотосинтетического аппарата.
Работа ведётся в сотрудничестве с ведущими мировыми лабораториями, специализирующимися в области фотобиологии.
Перспективы исследований
Исследования имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Они находят применение в:
- Технологии светокультуры,
- Оптогенетике,
- Медицине.
В медицине фитохром представляет собой перспективный молекулярный переключатель и внутриклеточный переносчик, а также флуоресцентный зонд, работающий в наиболее прозрачном для животных тканей спектральном интервале.
Основной инструмент исследований —
флуоресцентная и абсорбционная спектроскопия в широком температурном интервале от температуры жидкого азота до комнатной, объектами служат растения разных видов, дикого типа и мутанты по фоторецепторам.
Измерения флуоресценции пигментов проводятся на высокочувствительном спектрофлуориметре Horiba Jobin-Yvon FluoroМax-4P, поставленного в рамках Программы развития МГУ.
Основные работы
- Sineshchekov, V. A. (2023). Two Distinct Molecular Types of Phytochrome A in Plants: Evidence of Existence and Implications for Functioning. International Journal of Molecular Sciences, 24(9), 8139.
- Sineshchekov, V., & Koppel, L. (2022). Phytochrome A in plants comprises two structurally and functionally distinct populations—water-soluble phyA′ and amphiphilic phyA″. Biophysical Reviews, 14(4), 905-921.
- Sineshchekov, V., Shor, E., & Koppel, L. (2021). The phosphatase/kinase balance affects phytochrome A and its native pools, phyA′ and phyA″, in etiolated maize roots: evidence from the induction of phyA′ destruction by a protein phosphatase inhibitor sodium fluoride. Photochemical & Photobiological Sciences, 20, 1429-1437.
- Говорунова, Е. Г., & Коппель, Л. А. (2016). Путь к оптогенетике: родопсиновые белки микроорганизмов (обзор). Биохимия, 81(9), 1172-1186.
- Синещеков, В. А. (2013). Фитохром А: полиморфизм и полифункциональность. М.: Научный мир, 162.
- Sineshchekov, V. A., Koppel, L. A., & Bolle, C. (2016). Two native types of phytochrome A, phyAʹ and phyAʹʹ, differ by the state of phosphorylation at the N-terminus as revealed by fluorescence investigations of the Ser/Ala mutant of rice phyA expressed in transgenic Arabidopsis. Functional Plant Biology, 45(2), 150-159.
- Sineshchekov, V. (2018). Two molecular species of phytochrome A with distinct modes of action. Functional Plant Biology, 46(2), 118-135.
- Синещеков, В. А., & Беляева, О. Б. (2019). Регуляция биосинтеза хлорофилла фитохромом А. Биохимия, 84(5), 648-667.
- Sineshchekov, V. A., & Bekasova, O. D. (2020). Two Distinct Photoprocesses in Cyanobacterial Bilin Pigments: Energy Migration in Light-Harvesting Phycobiliproteins versus Photoisomerization in Phytochromes. Photochemistry and Photobiology, 96(4), 750-767.
- Sineshchekov, V., Koppel, L., Riemann, M., & Nick, P. (2021). Phytochrome A and its Functional Manifestations in Etiolated and Far-red Light-grown Seedlings of the Wild-type Rice and its Hebiba and Cpm2 Mutants Deficient in the Defense-related Phytohormone Jasmonic Acid. Photochemistry and Photobiology, 97(2), 335-342.