The crystal structure at 4.8 angstrom resolution of the reaction center–light harvesting 1 (RC–LH1) core complex from Rhodopseudomonas palustris shows the reaction center surrounded by an oval LH1 complex that consists of 15 pairs of transmembrane helical α- and β-apoproteins and their coordinated bacteriochlorophylls. Complete closure of the RC by the LH1 is prevented by a single transmembrane helix, out of register with the array of inner LH1 α-apoproteins. This break, located next to the binding site in the reaction center for the secondary electron acceptor ubiquinone (UQ B ), may provide a portal through which UQ B can transfer electrons to cytochrome b/c 1 .

Abstract Mitochondrial cristae expand the surface area of respiratory membranes and ultimately allow for the evolutionary scaling of respiration with cell volume across eukaryotes. The discovery of Mic60 homologs among alphaproteobacteria, the closest extant relatives of mitochondria, suggested that cristae might have evolved from bacterial intracytoplasmic membranes (ICMs). Here, we investigated the predicted structure and function of alphaproteobacterial Mic60, and a protein encoded by an adjacent gene Orf52, in two distantly related purple alphaproteobacteria, Rhodobacter sphaeroides and Rhodopseudomonas palustris . In addition, we assessed the potential physical interactors of Mic60 and Orf52 in R. sphaeroides . We show that the three α-helices of mitochondrial Mic60’s mitofilin domain, as well as its adjacent membrane-binding amphipathic helix, are present in alphaproteobacterial Mic60. The disruption of Mic60 and Orf52 caused photoheterotrophic growth defects, which are most severe under low light conditions, and both their disruption and overexpression led to enlarged ICMs in both studied alphaproteobacteria. We also found that alphaproteobacterial Mic60 physically interacts with BamA, the homolog of Sam50, one of the main physical interactors of eukaryotic Mic60. This interaction, responsible for making contact sites at mitochondrial envelopes, has been conserved in modern alphaproteobacteria despite more than a billion years of evolutionary divergence. Our results suggest a role for Mic60 in photosynthetic ICM development and contact site formation at alphaproteobacterial envelopes. Overall, we provide support for the hypothesis that mitochondrial cristae evolved from alphaproteobacterial ICMs, and therefore have improved our understanding of the nature of the mitochondrial ancestor.

Femtosecond stimulated Raman spectroscopy (FSRS) and transient absorption data measured in a single experiment are used to determine the vibronic properties of the S

In recent years, action-detected ultrafast spectroscopies have gained popularity offering distinct advantages over their coherently detected counterparts, such as spatially resolved and operando measurements with high sensitivity. However, there are also fundamental limitations connected to the process of signal generation in action-detected experiments. Here we perform fluorescence-detected two-dimensional electronic spectroscopy (F-2DES) of the light-harvesting II (LH2) complex from purple bacteria. We demonstrate that the B800-B850 energy transfer process in LH2 is weak but observable in F-2DES, unlike in coherently detected 2DES where the energy transfer is visible with 100% contrast. We explain the weak signatures using a disordered excitonic model that accounts for experimental conditions. We further derive a general formula for the presence of excited-state signals in multichromophoric aggregates, dependent on the aggregate geometry, size, excitonic coupling and disorder. We find that the prominence of excited-state dynamics in action-detected spectroscopy offers a unique probe of excitonic delocalization in multichromophoric systems.

Abstract The light-harvesting complex 2 (LH2) of purple bacteria is one of the most studied photosynthetic antenna complexes. Its symmetric structure and ring-like bacteriochlorophyll arrangement make it an ideal system for theoreticians and spectroscopists. LH2 complexes from most bacterial species are thought to have eightfold or ninefold symmetry, but recently a sevenfold symmetric LH2 structure from the bacterium Mch. purpuratum was solved by Cryo-Electron microscopy. This LH2 also possesses unique nearinfrared absorption and circular dichroism (CD) spectral properties. Here we use an atomistic strategy to elucidate the spectral properties of Mch. purpuratum LH2 and understand the differences with the most commonly studied LH2 from Rbl. acidophilus. Our strategy exploits a combination of molecular dynamics simulations, multiscale polarizable quantum mechanics/molecular mechanics calculations, and lineshape simulations. Our calculations reveal that the spectral properties of LH2 complexes are tuned by site energies and exciton couplings, which in turn depend on the structural fluctuations of the bacteriochlorophylls. Our strategy proves effective in reproducing the absorption and CD spectra of the two LH2 complexes, and in uncovering the origin of their differences. This work proves that it is possible to obtain insight into the spectral tuning strategies of purple bacteria by quantitatively simulating the spectral properties of their antenna complexes.

Abstract We report the 2.4 Å resolution structure of the light harvesting 2 complex (LH2) from Marichromatium (Mch.) purpuratum determined by electron cryo-microscopy. The structure contains a heptameric ring that is unique among all known LH2 structures, explaining the unusual spectroscopic properties of this bacterial antenna complex. Two sets of distinct carotenoids are identified in the structure, and a network of energy transfer pathways from the carotenoids to bacteriochlorophyll a molecules is shown. The geometry imposed by the heptameric ring controls the resonant coupling of the long wavelength energy absorption band. Together, these details reveal key aspects of the assembly and oligomeric form of purple bacterial LH2 complexes that were previously inaccessible by any technique. One Sentence Summary The structure of a heptameric LH2 antenna complex reveals new energy transfer pathways and the basis for assembling LH rings.