Fotoszintetikus szervezetek tilakoid membrán szerkezetének vizsgálata kisszögű neutron szórásvizsgáló berendezés (SANS) segítségével.

Átírás

1 Fotoszintetikus szervezetek tilakoid membrán szerkezetének vizsgálata kisszögű neutron szórásvizsgáló berendezés (SANS) segítségével. Ünnep Renáta MTA Wigner FK SZFI Neutronspektroszkópiai Osztály Nanoszerkezet Kutatás Neutronszórással Kutatócsoport Tudományos segédmunkatárs Phd hallgató (ELTE) Témavezetők Garab Győző Szegedi Biológiai Kutatóközpont Növénybiológiai Intézet Fotoszintetikus Membrán Csoport Mezei Ferenc MTA Wigner FK SZFI Neutronspektroszkópiai Osztály Nanoszerkezet kutatás neutronszórással kutatócsoport

2 Bevezetés A fotoszintézis jelentősége Fotoszintézis: az élet energetikai alapja, O dús légkör h 6H 0 + 6CO C 6 H 1 O 6 + 6O -biomassza, táplálék, ózon -mesterséges fotoszintézis, hidrogéntermelés

3 Bevezetés A fotoszintézis jelentősége, nyitott kérdések -fitoplankton -CO körforgalom, megkötés -5 % adják az elsődlegesen előállított biomasszának a Földön -hatékony marad a fotoszintézisük változó körülmények között is -édes és sós vízben is megélnek -nagy fényingadozás Fotoszintetikus rendszerek (levél-izolált tilakoid membrán, egész sejt) Információ - a legtöbb élőlény főbb pigment protein komplexének közel atomi felbontású szerkezete ismert Kérdések - multilamelláris tilakoid makroszerveződése - környezet változásának hatására hogyan reagál a tilakoid membrán rendszere

4 Bevezetés Kisszögű neutronszórás vizsgáló berendezés (SANS) Nem roncsoló Fiziológiai Nem szükséges különleges preparálás Átlagolt képet kapunk a teljes térfogatról Izotóp effektus (H/D) Információ ( Å )» Alak» Méret» Méreteloszlás» Felszín» Részecskék közötti korreláció» Orientáció» Bragg csúcs - > ismétlődési távolság körülmények Yellow Submarine Budapesti Neutron Központ (BNC), Budapest D11, D Institut Laue-Langevin (ILL) Grenoble Franciaország SANS-I, SANS-II Paul Scherrer Institute (PSI) Villigen Svájc

5 Bevezetés Kisszögű neutronszórás neutron I q I TV q k k 1 I 0 -beeső nyaláb intenzitása q-szórási változó η(λ)-detektor érzékenysége T-minta transzmissziója minta detektor dxdy L 0 Mikroszkopikus differenciális szórási hatáskeresztmetszet térszög q k k 1 4 sin

6 Bevezetés Tilakoid membrán Gránum: Átmérő: d= nm 5-0 tilakoidot tartalmaz Beesési szög a sztróma tilakoidoknál: α=1-6º RD d α Mustardy, L., & Garab, G., 003. (Trends Plant. Sci.)

7 I (cm -1 ) Bevezetés Tilakoid membrán Ismétlődési távolság ~0.0 Å -1 ~300 Å SD = 8 m SD =.05 m RD * q J Dekker and E Boekema (005) Biochim Biophys Acta 1706: 1 Q (Å -1 ) Nagy, G. (011). Structure and Dynamics of Photosynthetic Membranes as Revealed by Neutron Scattering. Grenoble, Université de Grenoble RDmin~ 160 Å RDmin~ 70 Å 40 Å 3 Å 45 Å 40 Å 140 Å 45 Å J.K. Holm, 004, PhD thesis

8 Eredmények I (Intakt levél) Növény Növény Intakt levél Arabidopsis thaliana lúdfű 5 4 Å Lactuca sativa saláta 1 3 Å Pisum sativum borsó Å Spinacia oleracea spenót 9 1 Å Nicotiana tabacum dohány 7 3 Å Monstera deliciosa könnyezőpálma 1 Å Hedera helix borostyán 16 Å Schefflera arboricola sugárarália 6 4 Å Euphorbia pulcherrima mikulásvirág 0 Å R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, G. Garab The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript).

9 I [a.u.] I [a.u.] Eredmények I (Intakt levél) 1 módosult levelek Sugárarália zöld rész (Schefflera arboricola) Sugárarália sárga rész (Schefflera arboricola) Mikulásvirág zöld levél (Euphorbia pulcherrima) Mikulásvirág piros levél (Euphorbia pulcherrima) q[å -1 ] q[å -1 ] R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, Gy. Garab. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript).

10 I [a.u.] Eredmények I (Intakt levél). megvilágítás kontrol 9 Å fény (5 min) 4 Å sötét (10 min) 6 Å fény (10 min) 0 Å sötét (10 min) 3 Å 3 x q [Å -1 ] R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, G. Garab. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript).

11 I [a.u.] Eredmények I (Intakt levél) 3. izolálás SANS sorbitol izolálás NaCl izolálás intakt levél szorbitol NaCl levél tricine 0 mm 0 mm sorbitol 0.4 M MgCl 5 mm 5 mm KCl 5 mm 5 mm NaCl 0.3 M RD 314 Å 41 Å 33 Å q[å -1 ] x10-3 R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, G. Garab. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript).

12 I [a.u.] Eredmények I (Intakt levél) 4. izolálás EM NaCl levél szorbitol sorbitol izolálás NaCl izolálás intakt levél R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, G. Garab. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript) q[å -1 ] x10-3

13 Eredmények I (Intakt levél) Intakt levél Növény Intakt levél RD [Å] NaCl izolált tilakoid RD [Å] arabidopsis saláta borsó 43 spenót dohány monstera borostyán 16 R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posselt, L. Rosta and G. Nagy, G. Garab. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript).

14 Eredmények II Fényindukált változás izolált dohány (Nicotiana tabacum) tilakoidon 100 µm PMS-t tartalmazó puffer µmol foton / m s 1 fehér fény Nagy, G., Kovács, L., Ünnep, R., Zsiros, O., Almásy, L., Rosta, L., Timmins, P., Peters, J., Posselt, D. and Garab, G. (013) Kinetics of structural reorganizations in multilamellar photosynthetic membranes monitored by small angle neutron scattering, European Physical Journal, Eur Phys J E - Soft Matter Biol Phys (in press)

15 Eredmények III Phaeodactylum tricornutum (kovamoszat) Irodalmi háttér -egysejtű alga -a tilakoidjai nem különülnek el gránumra és sztrómára Nagy Gergely PhD dolgozata (011)

16 Eredmények III Phaeodactylum tricornutum (kovamoszat) Ozmotikus nyomás 600 mm sorbitol 0 mm sorbitol Ozmotikus nyomás reverzibilis Magas hőmérséklet nem reverzibilis 600 mm sorbitol 0 mm sorbitol Nagy, G., Szabó, M., Ünnep, R., Káli, G., Miloslavina, Y., Lambrev, P. H., Zsiros, O., Porcar, L., Rosta, L. and Garab, G. (01) Modulation of the multilamellar membrane organization and of the chiral macrodomains in the diatom Phaeodactylum tricornutum revealed by small-angle neutron scattering and circular dichroism spectroscopy. Photosynth. Res. 111(1-):71-79

17 Eredmények IV Állapot átmenet (state transition) irodalmi háttér RD EM ~160Å PSI-LHCI, PSII-LHCII 80% LHCII mobilis Zöld alga (Chlamydomonas reinhardtii) Stacked Unstacked Iwai M, Takahashi Y, & Minagawa J (008) Plant Cell 0(8): , scale bar: 100 nm

18 I (cm -1 ) I (cm -1 ) Eredmények IV Állapot átmenet (state transition) State II State I State II State I Dark 5 min far-red light (medium intensity) 10 min far-red light (high intensity) 15 min dark readaptation Dark 15 min illumination 10 min dark adaptation WT 0. WT Q (Å -1 ) mw.5 távoli vörös fény cm Q (Å -1 ) 40 µm DCMU 150 µmol foton / m s 1 fehér fény G. Nagy, R. Ünnep, O. Zsiros, K. Takizawa, G. Finazzi, J. Minagawa and G. Garab, Reorganizations in the ultrastructure of the thylakoid membranes of in Chlamydomonas reinhardtii cells upon state transitions (manuscript).

19 I (cm -1 ) I (cm -1 ) Eredmények IV Állapot átmenet (state transition) State II State I Dark 5 min illumination 5 min dark adaptation 0.5 Dark 15 min far-red light (high intensity) 5 min dark adaptation WT Q (Å -1 ) STT Q (Å -1 ) ~100 µmol foton / m s 1 fehér fény serine-threnoine fehérje hiányzik LHCII-t nem képes foszforilálni G. Nagy, R. Ünnep, O. Zsiros, K. Takizawa, G. Finazzi, J. Minagawa and G. Garab, Reorganizations in the ultrastructure of the thylakoid membranes of in Chlamydomonas reinhardtii cells upon state transitions (manuscript).

20 CD (mdeg) Eredmények IV Állapot átmenet (state transition) 60 WT control baseline corrected norm to ABS WT dark baseline corrected norm to ABS WT far-red baseline corrected norm to ABS A STT7 control baseline corrected norm to ABS STT7 dark baseline corrected norm to ABS STT7 far-red baseline corrected norm to ABS) B (+) 690 psi-típusú CD jel -makroorganizáció pigmenteket tartalmazó rendszerben (-) 675 psi-típusú CD jel -makroorganizáció pigmenteket tartalmazó rendszerben -gránum tapattság (-) 650 Chl-b molekulák -exciton kölcsönhatás Wavelength (nm) G. Nagy, R. Ünnep, O. Zsiros, K. Takizawa, G. Finazzi, J. Minagawa and G. Garab, Reorganizations in the ultrastructure of the thylakoid membranes of in Chlamydomonas reinhardtii cells upon state transitions (manuscript).

21 Cikk Eredmények cikk, poszter Nagy, G., Szabó, M., Ünnep, R., Káli, G., Miloslavina, Y., Lambrev, P. H., Zsiros, O., Porcar, L., Rosta, L. and Garab, G. (01) Modulation of the multilamellar membrane organization and of the chiral macrodomains in the diatom Phaeodactylum tricornutum revealed by small-angle neutron scattering and circular dichroism spectroscopy. Photosynth. Res. 111(1-):71-79 Nagy, G., Kovács, L., Ünnep, R., Zsiros, O., Almásy, L., Rosta, L., Timmins, P., Peters, J., Posselt, D. and Garab, G. (013) Kinetics of structural reorganizations in multilamellar photosynthetic membranes monitored by small angle neutron scattering, European Physical Journal, Eur Phys J E - Soft Matter Biol Phys (in press) G. Nagy, R. Ünnep, O. Zsiros, K. Takizawa, G. Finazzi, J. Minagawa and G. Garab, Reorganizations in the ultrastructure of the thylakoid membranes of in Chlamydomonas reinhardtii cells upon state transitions (manuscript). R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posset, L. Rosta and Gergely Nagy, G. Garab Gergő. The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript). Szabó B, Ünnep R, Markó K, Környei Z, Méhes E, Czirók A. (011)Inhibition of myosin II triggers morpological transition and increased nuclear motility. Cytoskeleton 68(6): doi: /cm Szabó A, Ünnep R, Méhes E, Twal WO, Argraves WS, Cao Y, Czirók A. (010) Collective cell motion in endothelial monolayers. Phys Biol. Nov 1;7(4): Poszter Ünnep R, Szabó M, Káli G, Nagy G, Kovács L, Miloslavina Y, Lambrev P, Rosta L, and Garab G. (011) Structural flexibility of the multilamellar organization of the thylakoid membranes in intact cells of the diatom Phaeodactlyum tricornutum studied by SANS and CD spectroscopy. 5th European Conference on Neutron Scattering, Prague, Czech Republic Szabó M., Nagy G., Ünnep R., Káli G., Miloslavina Y., Lambrev P., Timmins P., Rosta L., and Garab G. (011) Structurally flexible macroorganization of the pigment and membrane systems in different diatom species. International Workshop Mechanisms of Non-photochemical Quenching, Passau, Germany

22 Eredmények előadás R. Ünnep, G. Nagy, G. Káli, M. Szabó, L. Kovács, Y. Miloslavina, P. Lambrev, L. Rosta, and G. Garab (011) SANS experiments on photosynthetic membrane systems in vivo. Regional Workshop under IAEA TC project RER403 Concerted Actions in Research and Applications with Neutron Beams in Europe, Budapest, Hungary R. Ünnep (011) Small angle neutron scattering. User Meeting Preliminary Agenda, Budapest, Hungary R. Ünnep, G. Nagy, G. Káli, M. Szabó, L. Kovács, Y. Miloslavina, P. Lambrev, L.Rosta, G. Garab (011) Fotoszintézis tanulmányozása kisszögű neutronszórás vizsgáló berendezés (SANS) segítségével. MTA Mikroelem Munkabizottságának Miniszimpóziuma, Budapest, Hungary Nagy, G., Posselt, D., Kovács, L., Holm, J. K., Szabó, M., Ünnep, R., Ughy, B., Rosta, L., Peters, J., Timmins, T. and Garab, G. (011) Small angle neutron scattering reveals fast, reversible membrane-reorganizations during photosynthesis. 5th European Conference on Neutron Scattering, Prague, Czech Republic G. Nagy, R. Ünnep and G. Garab (01) Biológiai és modell membránok tanulmányozása neutronszórással. 4. Membrán- Transzport Konferencia, Sümeg, Hungary G. Nagy, R. Ünnep and G. Garab (01) Multilamelláris membránrendszerek szerkezetének és szerkezeti flexibilitásának feltárása kisszögű neutronszórás mérésekkel. A Magyar Élettani Társaság, a Magyar Anatómusok Társasága, a Magyar Biofizikai Társaság és a Magyar Mikrocirkulációs és Vaszkuláris Biológiai Társaság Kongresszusa, Debrecen, Hungary Nagy, G., Posselt, D., Kovács, L., Holm, J. K., Szabó, M., Ünnep, R., Zsiros, O., Porcar, L., Rosta, L., Peters, J., Timmins, T. and Garab, G. (01) Light-induced reorganizations in the thylakoid membrane ultrastructure of higher plants and algal cells. Structural Dynamics and Dynamical Structures, Grenoble, France

23 Eredmények egyéb Folyamatban lévő további témák-hofmeister-sorozat, SAXS, protoplaszt, cryptomonas, Chlamydomonas reinhardtii tilakoid mutánsok, NPQ levél, diatóma cianobaktérium mutánsok (M. Liberton et al., Organization and Flexibility of Cyanobacterial Thylakoid Membranes Examined by Neutron Scattering, JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY Volume: 88 Issue: 5 Pages: , (013)) Yellow Submarine SANS teljes majd rész-berendezésfelelős local contact TÉT együttműködés (Török Gyula, Chris Franklyn, Tjatji Tjebane) South African Fundamental Atomic Reactor Installation (SAFARI-1) gyapjú SANS (PSI, BNC) Iskola szervezés 6th Central European Neutron School on Neutron Scattering (CETS) 01

24 További tervek Elektonmikroszkóp - EBSA ösztöndíj, PSI és ETH, Svájc - SANS eredményeink - ATP szintáz (Phaeodactylum tricornutum ), tomográfia - intertilakoidális tér, lumen Méréseinket levelekre is kiterjesztjük Állapot átmenet (state transition) mutánsokon Izoláló technikák továbbfejlesztése SANS segítségével International Conference on Neutron Scattering (ICNS) Edinburgh, Cikkek beküldése R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, L. Kovács, P. Lambrev, T. Tóth, G. Nagy and G. Garab (013). The ultrastructure and flexibilty of thylakoid membranes in leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering G. Nagy, R. Ünnep, O. Zsiros, K. Takizawa, G. Finazzi, J. Minagawa and G. Garab, Reorganizations in the ultrastructure of the thylakoid membranes of in Chlamydomonas reinhardtii cells upon state transitions (manuscript). R. Ünnep, O. Zsiros, K. Solymosi, P. Lambrev, L. Kovács, T. Tóth, D. Posset, L. Rosta and Gergely Nagy, G. Garab The ultrastructure and flexibility of thylakoid membranes in intact leaves and isolated chloroplasts as revealed by small angle neutron scattering (manuscript). További 3-4 cikk Doktori dolgozat megírása (014 nyár)

25 Köszönetnyilvánítás MTA Wigner FK SZFI Neutronspektroszkópiai Osztály MTA Szegedi Biológisi Kutatóközpont Almásy László Káli György Rosta László Székely Noémi Paul Scherrer Institute Gergely Nagy Kovács László Yuliya Miloslavina Petar Lambrev Szabó Milán Zsiros Ottó Eötvös Loránd Tudomány Egyetem Solymosi Kata Együttműködések Prof. Dr. Alfred Holzwarth, Max Planck Institute for Bioinorganic Chemistry, Németország Dr. Giovanni Finazzi, CEA, Grenoble, Franciaország Prof. Jean-David Rochaix, University of Geneva, CEA, Svájc Prof. Jun Minagawa, National Institute for Basic Biology (NIBB), Japán

26 Köszönöm a Figyelmet