Spectroscopy of individual chlorosomes from Chlorobaculum tepidum

Titelangaben

Günther, Lisa M.:
Spectroscopy of individual chlorosomes from Chlorobaculum tepidum.
Bayreuth , 2020 . - XVI, 109 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004864

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

Green sulfur bacteria survive under the lowest light conditions. They have perfectly adapted to this environment by evolving a unique light-harvesting apparatus, the chlorosome. This highly efficient antenna structure allows these bacteria to grow photosynthetically by absorbing only a few photons per bacteriochlorophyll molecule per day. The chlorosome is considered as a sack that accommodates hundreds of thousands bacteriochlorophyll (BChl) c, d or e molecules depending on the bacterial species and growth conditions. The BChls build supramolecular assemblies solely by self-assembly. This is in contrast to other photosynthetic light-harvesting antenna systems, for which a protein scaffold imposes the proper positioning of the chromophores. The electronically excited states of these molecular assemblies can be described as Frenkel excitons whose photophysical properties depend crucially on the mutual arrangement of the pigments.

The high light-harvesting efficiency of the chlorosomes and the self-assembly of the BChls into secondary structures within the chlorosome has promoted enormous interest in the structure-function relations of these molecular assemblies, as they can serve as blueprints for artificial light-harvesting systems. However, details about their structural organization of the supramolecular BChl arrangement in the chlorosomes are the subject of an ongoing debate, and conclusive structural information at atomic resolution is not available yet. Several models for their secondary structures, including tubular and lamellar aggregates, have been proposed to date. This variety reflects the sample heterogeneity inherent to this natural system.

The photophysical properties and their relation to the supramolecular organization of the chlorosome become accessible by optical spectroscopy. Therefore, in this thesis, spectroscopic techniques were used to study the structure-function relationship of the secondary structures in chlorosomes. However, the great heterogeneity of the samples leads to inhomogeneous broadening of the spectra, and subtle spectral features that might be characteristic for specific structural properties get obscured by ensemble averaging. In order to minimize the inherent sample heterogeneity polarization-resolved fluorescence-excitation spectroscopy was performed on individual chlorosomes from the photosynthetic green sulfur bacterium Chlorobaculum (Cba.) tepidum. This approach makes it possible to reveal the properties of the exciton states without ensemble averaging.

Furthermore, this technique was combined with mutagenesis. Hence, chlorosomes from the wild type and two mutants of Cba. tepidum were studied, in particular the bchR single mutant and the bchQR double mutant. In these mutants, the various options for methylation of the bacteriochlorophyll molecules, which are a primary source of the structural and spectral heterogeneity of wild type chlorosome samples, are reduced via the deactivation of distinct genes.

The spectra of all studied chlorosomes show a strong intensity modulation as a function of the polarization of the incident radiation, which clearly indicates that collective excitations dominate the spectrum. A global analysis of the spectra revealed that the broad ensemble absorption band around 740 nm consists of several spectral contributions. The observed photophysical properties of individual chlorosomes are consistent with cylindrical supramolecular structures.

Here, the information obtained from polarization-resolved fluorescence-excitation spectroscopy, cryo-electron microscopy, and theoretical modeling is combined with results previously obtained from nuclear magnetic resonance spectroscopy and cryo-electron microscopy. It is demonstrated that only the combination of these techniques yields an unambiguous description of the molecular packing of bacteriochlorophylls in chlorosomes. The results of these techniques show that in contrast to some suggestions in the literature, for the chlorosomes from the wild type as well as for those from mutants, the dominant secondary structural element features tubular symmetry. Moreover, the secondary structures of all three species follow a very similar construction principle, which is rolling up the lattice structure reported in Ganapathy et al. 2009 under an angle δ onto a cylinder.

The experimental results are compared with predictions from computer simulations of the cylindrical model structure. Studying variations of the structural parameters yields an explanation about the inhomogeneously broadened absorption bands. Moreover, the simulations provide a quantitative estimate of the curvature variation of these aggregates that might explain the ongoing debates concerning the chlorosome structure. From the correlation of spectral parameters, speculations about the degree of variation of the structural elements are made, and the composition of individual chlorosomes is deduced. Finally, a combination of all the results gives a conclusive picture of the interior of the chlorosomes.

Abstract in weiterer Sprache

Grüne Schwefelbakterien wachsen zum Teil in extrem lichtarmen Lebensräumen. Sie haben sich perfekt an diese Umgebung angepasst, indem sie einen einzigartigen Apparat zum Sammeln von Licht entwickelt haben, das Chlorosom. Diese hocheffiziente Antennenstruktur ermöglicht diesen Bakterien eine photosynthetische Lebensweise, obwohl ihnen nur wenige Photonen pro Bakteriochlorophyllmolekül und Tag zur Verfügung stehen.
Das Chlorosom ist eine sack-ähnliche Struktur und beinhaltet je nach Bakterienart und Wachstumsbedingungen hunderttausende von Bakteriochlorophyll (BChl) c-, d- oder e-Molekülen. Die BChl bilden innerhalb des Chlorosoms supramolekulare Strukturen durch Selbstaggregation. Diese Eigenschaft unterscheidet sie von anderen Lichtsammelkomplexen, die ein Proteingerüst zur richtigen Positionierung der Chromophore nutzen. Die elektronisch angeregten Zustände der molekularen Aggregate in Chlorosomen lassen sich als Frenkel-Exzitonen beschreiben, deren photophysikalische Eigenschaften entscheidend von der gegenseitigen Anordnung der Pigmente abhängen.
Die hohe Lichtsammeleffizienz der Chlorosome und die Selbstorganisation der BChl zu sekundären Strukturen innerhalb des Chlorosoms hat ein enormes Interesse an der Struktur-Funktion-Beziehung dieser molekularen Aggregate erregt, da sie als Blaupausen für künstliche Lichtsammelsysteme dienen können. Es gibt jedoch eine laufenden Diskussion über die Einzelheiten der strukturellen Organisation der supramolekularen BChl-Anordnung in den Chlorosomen und bisher sind keine schlüssigen Strukturinformationen in atomarer Auflösung verfügbar. In mehreren Arbeiten wurden verschiedene Modelle für die sekundäre Struktur vorgeschlagen, unter anderem Modellstrukturen von Aggregaten mit einer Anordnung der BChl in Röhren und Lamellen. Die Vielfalt der Modelle spiegelt die diesem natürlichen System innewohnende Heterogenität der Proben wider.
Die photophysikalischen Eigenschaften und ihr Zusammenhang mit der supramolekularen Organisation des Chlorosoms werden durch optische Spektroskopie zugänglich. Daher wurden in dieser Arbeit spektroskopische Techniken benutzt, um die Struktur-Funktion-Beziehung der sekundären Strukturen in den Chlorosomen zu untersuchen. Die große Heterogenität der Proben führt jedoch zu einer inhomogenen Verbreiterung der Spektren, und feine spektrale Merkmale, die für bestimmte Struktureigenschaften charakteristisch sein könnten, werden durch die Ensemble-Mittelung überdeckt. Zur Minimierung der inhärenten Probenheterogenität, wurde an einzelnen Chlorosomen des photosynthetischen grünen Schwefelbakteriums Chlorobaculum (Cba.) tepidum polarisationsaufgelöste Fluoreszenzanregungsspektroskopie durchgeführt. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Eigenschaften der Exzitonzustände ohne Ensemble-Mittelung zu untersuchen.
Durch Kombination dieser Technik mit Mutagenese konnten Chlorosome des Wildtyps und von zwei Mutanten von Cba. tepidum untersucht werden, nämlich Chlorosome des bchR-einfach-Mutanten und des bchQR-doppel-Mutanten. Bei diesen Mutanten werden die verschiedenen Möglichkeiten für die Methylierung der Bakteriochlorophyllmoleküle durch die Deaktivierung verschiedener Gene reduziert. Die verschiedenen Seitenketten der BChl stellen die Hauptquelle für die strukturelle und spektrale Heterogenität der Wildtyp-Proben dar.
Die Spektren aller untersuchten Chlorosome zeigen eine starke Intensitätsmodulation in Abhängigkeit von der Polarisation der einfallenden Strahlung auf. Dies weist eindeutig darauf hin, dass kollektive Anregungen das Spektrum dominieren. Eine globale Analyse der Spektren ergab, dass die breite Ensemble-Absorptionsbande bei 740 nm aus mehreren spektralen Beiträgen besteht. Die beobachteten photophysikalischen Eigenschaften der einzelnen Chlorosome können mit zylindrischen supramolekularen Strukturen erklärt werden.
In dieser Arbeit werden Informationen aus der polarisationsaufgelösten Fluoreszenzanregungsspektroskopie, Kryo-Elektronenmikroskopie und theoretischen Modellierung mit Ergebnissen kombiniert, die zuvor aus der NMR-Resonanzspektroskopie und auch Kryo-Elektronenmikroskopie gewonnen wurden. Es wird gezeigt, dass nur eine Kombination dieser Techniken eine eindeutige Beschreibung der molekularen Anordnung von Bakteriochlorophyllen in Chlorosomen liefert. Die Ergebnisse dieser Techniken zeigen, dass im Gegensatz zu einigen Modellen in der Literatur, sowohl für die Chlorosome des Wildtyps als auch für die der Mutanten, das dominierende sekundäre Strukturelement eine zylindrische Symmetrie aufweist. Darüber hinaus folgen die sekundären Strukturen aller drei Spezies einem sehr ähnlichen Konstruktionsprinzip, das darin besteht, die in Ganapathy et al. 2009 veröffentlichte Gitterstruktur unter einem Winkel δ auf einen Zylinder aufzurollen.
Die experimentellen Ergebnisse werden mit Vorhersagen aus Computersimulationen von zylindrischen Modellstruktur verglichen. Die Untersuchung von Variationen der Strukturparameter liefert eine Erklärung für die inhomogen verbreiterten Absorptionsbanden. Darüber hinaus liefern die Simulationen eine quantitative Schätzung der Variation der Krümmung dieser Aggregate. Damit könnten die laufenden Diskussionen über die Struktur von Chlorosomen erklärt werden. Aus der Korrelation spektraler Parameter werden Spekulationen über den Grad der Variation der Strukturelemente angestellt und die Zusammensetzung einzelner Chlorosome daraus abgeleitet. Die Kombination aller Ergebnisse ergibt schließlich ein schlüssiges Bild des Inneren der Chlorosome.