Light’EM up! : structural characterization of light-driven membrane protein complexes by cryogenic electron microscopy

Photosynthesis is probably the most important process for allowing life to develop into the diverse forms we see today. In this process, solar radiation is used to convert CO2 into biomass. From this process, we obtain oxygen to breathe, sources of food (plant biomass), and the potential for clean and sustainable energy. Photosystem II (PSII) – a key enzyme in photosynthesis –, is a protein complex located in the thylakoid membrane of photosynthetic organisms. PSII and its light-harvesting antennae capture light energy, driving a charge separation process, which leads to the extraction of electrons from water molecules, forming and releasing molecular oxygen. A PSII dimer is composed of more than 20 unique proteins and hundreds of cofactors which fine-tune the mechanisms of light-harvesting and water oxidation, and stabilize the whole complex. While the arrangement of most (but not all!) of these proteins and cofactors is known, their dynamics and individual contributions are not yet fully understood. In my thesis work, I took on the challenge of resolving the structure of large protein complexes, such as PSII complexes from various photosynthetic organisms, using a technique called cryogenic electron microscopy (cryo-EM). This PhD dissertation focuses on structurally describing these macromolecular assemblies and how their components (protein, cofactors, and substrate) interact with each other or with their immediate cellular environment. Among the several outcomes of my research on PSII, I would like to highlight the following findings: 1) the usage of digitonin as a detergent to solubilize PSII destroys the catalytic activity and changes LHCII pigment content, among other consequences; 2) PSII does not seem to incorporate chlorophyll (Chl) a molecules with a farnesyl tail, and the Chl tails’ flexibility justifies not resolving the full-length of some of these molecules in PSII structures. We concluded that flexibility may be an advantage to PSII function; 3) cryo
Fotosyntesen är förmodligen den viktigaste processen för att liv ska kunna utvecklas till de olika former vi ser idag. I denna process används solstrålning för att omvandla CO2 till biomassa. Från denna process får vi syre att andas, källor till mat (växtbiomassa) och potentialen för ren och hållbar energi. Fotosystem II (PSII) - ett nyckelenzym i fotosyntesen - är ett proteinkomplex som finns i thylakoidmembranet hos fotosyntetiserande organismer. PSII och dess antenner fångar upp ljusenergi och driver en laddningsseparationsprocess som leder till att elektroner extraheras från vattenmolekyler, vilket bildar och frigör molekylärt syre. PSII består av mer än 20 unika proteiner och hundratals kofaktorer som finjusterar mekanismerna för ljusinsamling och vattenoxidation, och stabiliserar hela komplexet. Även om de flesta (men inte alla!) av dessa proteiner och kofaktorer är kända, är deras dynamik och individuella bidrag ännu inte klarlagda. I mitt avhandlingsarbete antog jag utmaningen att lösa strukturen hos stora proteinkomplex, såsom PSII-komplex från olika fotosyntetiska organismer, med hjälp av en teknik som kallas kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM). Denna avhandling fokuserar på att strukturellt beskriva dessa makromolekylära sammansättningar och hur deras komponenter (protein, kofaktorer och substrat) interagerar med varandra eller med deras omedelbara cellulära miljö. Bland de resultat från min forskning om PSII skulle jag vilja lyfta fram följande: 1) Användningen av digitonin som detergent för att solubilisera PSII förstör den katalytiska aktiviteten och förändrar LHCII:s pigmentinnehåll, bland andra konsekvenser. 2) PSII verkar inte införliva klorofyll (Chl) a-molekyler med en farnesylsvans, och Chl-svansarnas flexibilitet motiverar att vissa av dessa molekyler inte har full längd i PSII:s strukturer. Vi drog slutsatsen att flexibilitet kan vara en fördel för PSII:s funktion; 3) cryo-EM är en teknik med potential att avslöja information om elektronöverfö