Utrechtse wetenschappers ontrafelden met massa­spectrometrie het geheim achter de efficiënte opvang en omzetting van zonne-energie door rode micro-algen.

Rode micro-algen – eencellige organismes die tot de groene algen behoren – hebben in de loop van de evolutie een van de meest efficiënte systemen ontwikkeld om zonlicht op te vangen en om te zetten in chemische energie. Begrijpen hoe dat werkt, kan bijdragen aan efficiëntere zonnecellen. De precieze eiwitsamenstelling en structuur van dit antennesysteem, dat maar liefst 95 % van het zonlicht opvangt, is nog steeds onbekend.

Eiwitschijfjes

Biochemicus Sem Tamara, werkzaam bij de Utrechtse groep biomoleculaire massaspectrometrie en proteomics van hoogleraar Albert Heck, heeft onlangs een belangrijke stap gezet. Hij schetst eerst de complexiteit van het eiwitcomplex: ‘Het is een vrij groot systeem dat bestaat uit twee verschillende delen. Je hebt de antennes die het licht opvangen, bestaande uit opgestapelde eiwitschijfjes, het zogeheten fycobilisoom. En je hebt de kern waaraan de antennes de excitatie-energie doorgeven. De kern zet die energie vervolgens om in elektronen voor de fotosynthese.’

Met hoge-resolutiemethodes, zoals cryoEM en NMR, is het niet mogelijk om een compleet beeld van de samenstelling en de structuur van zo’n groot en heterogeen eiwitcomplex te krijgen. Eiwitketens die weinig voorkomen in het complex, krijg je dan niet in beeld. Tamara gebruikte daarom massaspectrometrie. ‘Het is een mooie aanvulling op cryoEM en NMR. Het is veelzijdiger en heeft een groot bereik. Voor ons eiwitonderzoekers is zo’n eiwitsysteem een enorme uitdaging.’

Voor zijn promotie onderzocht Tamara de moleculaire structuur van fyco-erythrine, een van de meest voorkomende eiwitschijfjes in de antennes van de rode micro-alg Porphyridium cruentum. De wetenschappers lieten drie verschillende manieren van massaspectrometrie op het eiwitcomplex los. Via een helicopterview-methode bepaalden ze eerst de massa en de structuur van het gehele eiwitcomplex (circa 250 kDa). Dit bevestigde dat het uit drie verschillende eiwitten was opgebouwd: de alfa-, bèta- en gamma-subeenheden in de verhouding 6:6:1. De alfa- en bèta-eenheden vormen samen een schijf met een gat in het midden. In de holte nestelt zich het gamma-eiwit dat deels uitsteekt en zo de verbinding vormt met de volgende eiwitschijf in de antenne.

Vervolgens hebben de onderzoekers de drie eiwitten gescheiden en afzonderlijk geanalyseerd. Tamara: ‘Daaruit bleek dat met name het gamma-eiwit in de alg een grote variatie had. Ten eerste door vele net iets verschillende aminozuurmodificaties en ten tweede door de verscheidenheid aan chromoforen die aan dit eiwit verbonden waren en het licht absorberen. In totaal vonden we wel twintig verschillende gamma-eiwitsequenties.’ Ten slotte splitsten ze de eiwitketens op in kleinere peptides met proteases om zo de modificaties en de chemische samenstelling van de chromoforen te karakteriseren.

Energieoverdracht

‘Onze gegevens laten zien dat de diversiteit van het gamma-eiwit een sleutelrol vervult in structuur van de antenne en verantwoordelijk is voor de unieke efficiëntie van de lichtopvang’, concludeert Tamara. ‘Via die gamma-eiwitten loopt de opgevangen energie naar de kern, waarbij elk gamma-eiwit ondertussen een andere golflengte absorbeert. Het is een soort cascade van energieoverdracht door de antenne heen. Vandaar dat aan de top van de antennes andere gamma-eiwitten zitten dan naar de kern toe. Dit verklaart ook de structuur van het fycobilisoom.’

Onderzoekers in Birmingham gaan het mechanisme nu verder onderzoeken. Het kan wellicht als blauwdruk dienen voor nieuwe efficiëntere zonnecellen, maar de fycobilisomen kun je ook direct zelf toepassen in zonnepanelen. Tamara: ‘We weten nu waarom het zo belangrijk is dat je het hele fycobilisoom gebruikt en niet delen van de antenne.’