Mikrober fik fotosyntese-superkræfter fra en 'protonpumpe' | Quanta Magasinet

En tæt regnskov eller anden frodig terrestrisk vegetation kan være det, der først kommer til at tænke på ved omtalen af ​​fotosyntese. Alligevel er skyerne af fytoplankton, der fylder havene, de vigtigste drivkræfter for denne proces i naturen. De plantelignende encellede akvatiske mikrober genererer mere end 50 % af ilten i atmosfæren, og de absorberer næsten halvdelen af ​​kuldioxiden og omdanner den til glucose, fedtstoffer, proteiner og andre organiske molekyler, der nærer havenes fødevæv. .

A for nylig offentliggjort undersøgelse in Current Biology endelig fastlægger kilden til denne enestående fotosynteseeffektivitet, som længe har forvirret videnskabsmænd. Den nye forskning fandt ud af, at nogle fytoplankton er udstyret med en ekstra intern membran, der bærer et "protonpumpe"-enzym, der overlader deres evne til at omdanne kuldioxid til andre stoffer. Forbedringerne på grund af denne ene proteinmodifikation ser ud til at bidrage til produktionen af ​​næsten 12% af ilten i luften og så meget som 25% af alt kulstof "fikseret" (låst fast i organiske forbindelser) i havet.

Overraskende nok ser den fotosyntetiske innovation ud til at være udviklet tilfældigt fra et membranprotein, der oprindeligt blev brugt til fordøjelse i fytoplanktonets forfader. Ud over at forklare cellernes dygtighed til fotosyntese, hjælper det nye arbejde med at bekræfte teorien om, at disse fytoplankton er opstået gennem en symbiotisk alliance mellem en protozo og en modstandsdygtig grønalge.

"Jeg synes, det er svimlende, at et protonenzym, som vi har kendt i så mange årtier, er ansvarligt for at opretholde et så afgørende fænomen på Jorden," sagde Dennis Brown, en cellebiolog ved Harvard Medical School, der studerer funktionerne af membranproteiner og ikke var involveret i undersøgelsen.

Forskere vidste, at visse klasser af fytoplankton - kiselalger, dinoflagellater og coccolithophorer - skiller sig ud for deres exceptionelle fotosyntetiske evner. Disse celler er ekstremt dygtige til at absorbere kuldioxid fra deres miljø og lede det til deres kloroplaster til fotosyntese, men detaljerne om, hvorfor de er så gode til det, har ikke været særlig klare. En egenskab, der er unik for disse tre grupper af fytoplankton, er imidlertid, at de har en ekstra membran omkring deres kloroplaster.

For syv år siden, mikrobiologen Daniel Yee, hovedforfatteren på den nye undersøgelse, studerede kiselalger til sin doktorgrad ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California, San Diego. Fotosyntese var ikke hans fokus; han søgte at forstå, hvordan kiselalger regulerer deres indre surhed for at hjælpe med oplagring af næringsstoffer og for at bygge deres hårde silicacellevæg. Men han blev ved med at bemærke den unikke ekstra membran omkring deres kloroplaster.

Han lærte, at den ekstra membran i vid udstrækning blev betragtet af forskere som en rest af en gammel, mislykket fordøjelseshandling. Forskere antog, at for omkring 200 millioner år siden forsøgte en rovdyrprotozo at nyde en encellet fotosyntetisk alge. Den indhyllede den modstandsdygtige alge i en membranstruktur kaldet en fødevarevakuole for at fordøje den, men af ​​ukendte årsager fandt fordøjelsen ikke sted. I stedet overlevede algen og blev en symbiotisk partner til protozoen og fodrede den med frugterne af dens fotosyntese. Dette partnerskab blev uddybet gennem generationerne, indtil den nye to-i-en organisme udviklede sig til de kiselalger, vi kender i dag. Men det ekstra lag membran, der havde været en madvakuole, forsvandt aldrig.

I slutningen af ​​1990'erne nogle videnskabsmænd antog at den tidligere fødevarevakuole sandsynligvis stadig bærer et transmembrankanalprotein kaldet en protonpumpe. Protonpumper er meget alsidige molekyler, der kan specialiseres til forskellige opgaver i organismer, fra fordøjelse til regulering af blodets surhedsgrad til at hjælpe neuroner med at sende signaler, forklarede mikrobiologen Martin Tresguerres, senior medforfatter af den nye undersøgelse og Yees tidligere rådgiver ved UCSD. Hos pattedyr kan én type protonpumpe skabe stærkt ætsende sure forhold i områder med knogler for at nedbryde deres mineraliserede struktur og opløse dem over tid.

Yee fandt ud af, at den samme protonpumpe også hjælper kiselalger med at lave deres hårde silicaskal. Men i betragtning af protonpumpens alsidighed og dens direkte forbindelse med kloroplasten, var han overbevist om, at den gjorde endnu mere.

Ved at bruge en kombination af molekylærbiologiske teknikker bekræftede Yee og hans team, at den ekstra membran omkring phytoplankton-chloroplasten indeholder en aktiv, funktionel protonpumpe - en kaldet VHA, der ofte tjener en fordøjelsesrolle i fødevarevakuoler. De fusionerede endda protonpumpen til et fluorescerende protein, så de kunne se det arbejde i realtid. Deres observationer understøttede den endosymbiotiske teori om, hvordan kiselalger erhvervede den ekstra membran omkring deres kloroplaster.

Yee, Tresguerres og deres kolleger var også nysgerrige efter, hvordan protonpumpen kunne påvirke kloroplastens fotosyntetiske aktivitet. For at finde ud af det brugte de et hæmmende lægemiddel, concanamycin A, til at standse driften af ​​protonpumpen, mens de overvågede, hvor meget fytoplanktonet fortsatte med at inkorporere kulstof i carbonater og producere ilt. De fandt ud af, at inhibering af protonpumpen signifikant reducerede både kulstoffiksering og iltproduktion i cellerne.

Yderligere arbejde hjalp dem med at forstå, at pumpen forbedrede fotosyntesen ved at koncentrere kulstof nær kloroplaster. Pumpen overførte protoner fra cytoplasmaet til rummet mellem den ekstra membran og kloroplasten. Den øgede surhedsgrad i rummet fik mere kulstof (i form af bikarbonationer) til at diffundere ind i rummet for at neutralisere det. Enzymer omdannede bikarbonatet tilbage til kuldioxid, som derefter bekvemt var tæt på kloroplastens kulfikserende enzymer.

Ved hjælp af statistik over fordelingen af ​​kiselalger og andet fytoplankton med den ekstra membran i hele det globale hav, ekstrapolerede forskerne, at dette løft i effektivitet fra VHA-membranproteinet tegner sig for næsten 12 % af Jordens atmosfæriske ilt. Det bidrager også med mellem 7% og 25% af alt det oceaniske kulstof, der fastlægges hvert år. Det er mindst 3.5 milliarder tons kulstof - næsten fire gange så meget som den globale luftfartsindustri udleder årligt. I den høje ende af forskernes skøn kan VHA være ansvarlig for at binde så meget som 13.5 milliarder tons kulstof om året.

Forskere kan nu tilføje denne faktor til andre overvejelser, når de estimerer virkningerne af klimaændringer på, hvor hurtigt atmosfærisk kuldioxid bindes til organiske molekyler, hvilket dikterer, hvor hurtigt planeten vil fortsætte med at varme. Det har også betydning for diskussioner om, hvorvidt ændringer i havets surhedsgrad vil have en direkte indvirkning på hastigheden for kulstofbinding og iltproduktion. Yee sagde, at videnskabsmænd også kan begynde at spørge, om bioteknologiske løsninger baseret på den nyopdagede mekanisme kunne forbedre processen med kulstofbinding for at begrænse klimaændringer.

Yee, hvem er det nu en postdoc ved Celle- og Plantefysiologi-laboratoriet i det franske nationale center for videnskabelig forskning i Grenoble, er stolte af, at hans team var i stand til at levere en ny mekanisme for, hvordan fotosyntese opstår i en så økologisk vigtig livsform.

"Men vi indser også," sagde han, "at jo mere vi lærer, jo mindre ved vi."