English
Pracovník Mikrobiologického ústavu AV ČR prof. RNDr. Josef Komenda, CSc., DSc., obhájil disertaci Repair cycle of the Photosystem II complex in cyanobacteria před komisí Mikrobiologie, virologie a mykologie a získal vědecký titul „doktor molekulárně-biologických a lékařských věd“. Ve své práci formuluje zásadní a původní názory na mechanismus opravného cyklu komplexu fotosystému II a jeho regulaci. Různými aspekty tohoto procesu se dlouhodobě zabývá v třeboňské Laboratoři fotosyntézy.
Foto: Archiv autora
Fotosyntetické organismy vyvíjející kyslík patří ke klíčovým formám života na Zemi, které přeměňují energii slunečního záření na formy využitelné i pro ostatní organismy včetně člověka. Mezi tyto tzv. oxygenní fototrofy patří kromě řas a rostlin také sinice jako nejjednodušší organismy schopné této přeměny. A přesto se často využívají jako modelové organismy pro studium fotosyntetických procesů. Jednou z nejdůležitějších složek oxygenního fotosyntetického aparátu je fotosystém II (PSII). Jde o složitý komplex proteinů, pigmentů a dalších kofaktorů, který je schopen jako jediný z existujících tzv. fotochemických reakčních center (kromě PSII mezi ně patří fotosystém I a komplexy anoxygenních fotosyntetických bakterií) používat vodu jako zdroj elektronů, přičemž se uvolňuje molekulární kyslík. Unikátní schopnost PSII je také zodpovědná za existenci kyslíkové atmosféry na Zemi a je tedy zásadní pro udržení života na planetě. Schopnost oxidovat vodu určuje vysoce pozitivní redoxní potenciál primárního donoru elektronů v PSII. Uvedená schopnost ale také vede k pravidelné a nevyhnutelné inaktivaci této složité reakce. Její obnovení je možné jen prostřednictvím důmyslného opravného cyklu, jehož klíčovou součástí je selektivní odstranění jedné z centrálních bílkovinných podjednotek PSII. Podjednotka se podílí na vazbě primárního donoru elektronů a během opravy je nahrazena nově syntetizovanou kopií.
K nejdůležitějším původním výsledkům obsaženým v disertační práci patří identifikace bakteriálního typu membránové protézy FtsH jako protéazy odstraňující nefunkční kopii proteinu po inaktivaci PSII. Autor navrhl a také prokázal mechanismus odstraňování tohoto proteinu u sinic, a sice jeho postupným vytažením z membrány od N-konce aminokyselinového řetězce a kontinuální degradací až k C-konci. U většiny druhů sinic existuje několik genů kódujících různé kopie vyměňovaného proteinu, jež se liší aminokyselinovou sekvencí především na N-konci. Lze proto předpokládat, že přítomnost určité kopie v daném komplexu PSII určuje také rychlost její degradace proteázou FtsH. Práce si také všímá, jakým způsobem proteáza získává přístup k nefunkčnímu proteinu, který je třeba odstranit. Komplex PSII se nemusí rozpadnout, stačí pouze odklopit jednu z vnitřních anténních bílkovinných podjednotek, jež přivádí prostřednictvím navázaných pigmentů absorbovanou energii k primárnímu donoru elektronů. Práce poskytla i důkazy, že jsou k správné funkci opravného cyklu PSII zapotřebí mnohé specifické proteiny, z nichž některé patří k trvalým složkám komplexu, zatímco jiné jsou vnější pomocné faktory, které nejsou součástí funkčního komplexu PSII. Uvedené proteiny stabilizují nově syntetizovanou kopii vyměňovaného proteinu a umožňují rychlé získání jeho správné konformace, navázání kofaktorů a nakonec rychlé zabudování do PSII, bez něhož by se komplex brzy rozpadl. Přitom je patrné, že odstranění staré kopie proteinu se synchronizuje se syntézou kopie nové.
Detailní objasnění mechanismu opravy PSII je jedním z předpokladů pro možné vytvoření umělých fotosyntetických systémů. Ty by se mohly stát jedinečnými „čistými“ zdroji energie, které by umožnily získávání kyslíku a vodíku z vody pomocí slunečního záření jako základ palivových článků budoucnosti.
JOSEF KOMENDA,
Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.