Цианобактерии − древнейшие фотоавтотрофные организмы, появившиеся более 3,5 миллиардов лет назад. Они сыграли ключевую роль в геологической истории Земли и развитии жизни, трансформировав атмосферу планеты за счёт оксигенного фотосинтеза. Этот процесс привёл не только к образованию кислорода, но и к так называемой «кислородной катастрофе» для организмов, неспособных справляться с активными формами кислорода (АФК). Цианобактерии, напротив, выработали и сохранили уникальные механизмы защиты.
Первичные реакции фотосинтеза у цианобактерий начинаются в фикобилисомах − антенных комплексах, которые повышают эффективность поглощения света. Для предотвращения образования АФК предусмотрен универсальный фотозащитный механизм нефотохимического тушения: каротиноиды способны быстро превращать энергию электронного возбуждения пигментов антенны в тепло, что снижает риск повреждения клетки. Такой механизм действует как у цианобактерий, так и у высших растений, несмотря на различия в структуре светособирающих комплексов.
Ключевым регуляторным элементом в процессе нефотохимического тушения у цианобактерий является фотоактивный оранжевый каротиноидный белок (Orange Carotenoid Protein, OCP), необходимый для активации нефотохимического тушения. Белок восстановления флуоресценции (Fluorescence Recovery Protein, FRP) отвечает за инактивацию OCP. Структуры OCP, FRP и антенных комплексов были установлены методами рентгеноструктурного анализа и криоэлектронной микроскопии. Однако понимание механизмов взаимодействия и регуляции фотозащитных реакций оставалось неполным из-за сложного фотоцикла OCP, охватывающего время от 10⁻¹² до 10¹ секунд.
Особый интерес представляет процесс сборки водорастворимого OCP из апоформы белка и мембранного кето-каротиноида, который требует фазового перехода гидрофобного каротиноида и существенного изменения конформации белковой матрицы.
Диссертационная работа посвящена изучению физико-химических основ функционирования фотосинтетических пигмент-белковых комплексов и регуляции фотозащитных механизмов. Особое внимание уделено структурно-функциональной организации фотоактивных каротиноидных белков, их фотопревращению и взаимодействиям с элементами фотосинтетических мембран как in vitro, так и in vivo. Результаты работы позволили установить механизм фотоактивации каротиноидных белков и открыть неизвестные ранее реакции переноса каротиноидов между белками и мембранами. Понимание этих механизмов важно не только для фундаментальной науки, но и для и повышения продуктивности цианобактерий используемых в промышленности, разработки биосенсоров, а также развития технологий белок-опосредованной доставки каротиноидов для медицинских приложений.