Mikroobid omandasid fotosünteesi supervõimed "prootonpumbast" | Quanta ajakiri

Fotosünteesi mainimisel võib esmalt meelde tulla tihe vihmamets või muu haljendav maismaataimestik. Siiski on ookeane täitvad fütoplanktoni pilved selle protsessi peamised tõukejõud looduses. Taimelaadsed üherakulised veemikroobid toodavad üle 50% atmosfääri hapnikust ja neelavad ligi poole süsinikdioksiidist, muutes selle glükoosiks, rasvadeks, valkudeks ja muudeks orgaanilisteks molekulideks, mis toidavad ookeanide toiduvõrku.

A Hiljuti avaldatud uuringus in Current Biology lõpuks tuvastab selle võrratu fotosünteesi efektiivsuse allika, mis on teadlasi pikka aega segadusse ajanud. Uued uuringud näitasid, et mõned fütoplanktonid on varustatud täiendava sisemise membraaniga, mis kannab "prootonpumba" ensüümi, mis suurendab nende võimet muuta süsinikdioksiidi teisteks aineteks. Tundub, et sellest ühest valgu modifikatsioonist tulenevad täiustused toodavad ligi 12% õhus olevast hapnikust ja koguni 25% kogu süsinikust, mis on "fikseeritud" (lukustatud orgaanilistesse ühenditesse) ookeanis.

Üllataval kombel näib see fotosünteetiline innovatsioon olevat juhuslikult arenenud membraanivalgust, mida algselt kasutati seedimiseks fütoplanktoni esivanemas. Lisaks rakkude fotosünteesi võimekuse selgitamisele aitab uus töö kinnitada teooriat, et need fütoplanktonid tekkisid algloomade ja vastupidavate rohevetikate sümbiootilise liidu kaudu.

"Minu arvates on hämmastav, et prootoni ensüüm, mida oleme nii palju aastakümneid teadnud, vastutab sellise üliolulise nähtuse säilitamise eest Maal," ütles ta. Dennis Brown, Harvardi meditsiinikooli rakubioloog, kes uurib membraanivalkude funktsioone ja ei osalenud uuringus.

Teadlased teadsid, et teatud fütoplanktoni klassid – ränivetikad, dinoflagellaadid ja kokolitofoorid – paistavad silma oma erakordse fotosünteesivõime poolest. Need rakud suudavad väga hästi absorbeerida oma keskkonnast süsinikdioksiidi ja suunata seda oma kloroplastidesse fotosünteesiks, kuid üksikasjad selle kohta, miks nad selles nii head on, pole olnud väga selged. Nende kolme fütoplanktoni rühma ainulaadne omadus on aga see, et nende kloroplastide ümber on täiendav membraan.

Seitse aastat tagasi mikrobioloog Daniel Yee, uue uuringu juhtiv autor, uuris San Diegos California ülikooli Scrippsi okeanograafiainstituudis doktorikraadi saamiseks diatomeid. Fotosüntees ei olnud tema fookuses; ta püüdis mõista, kuidas ränivetikad reguleerivad oma sisemist happesust, et aidata kaasa toitainete säilitamisele ja ehitada nende sitke ränidioksiidi rakuseina. Kuid ta märkas pidevalt nende kloroplastide ümber ainulaadset lisamembraani.

Ta sai teada, et teadlased pidasid lisamembraani laialdaselt iidse ebaõnnestunud seedimise jäänukiks. Teadlased püstitasid hüpoteesi, et umbes 200 miljonit aastat tagasi püüdis röövloomade algloom maitsta üherakulise fotosünteetilise vetikaga. See ümbritses vetikate seedimiseks membraanistruktuuri, mida nimetatakse toiduvakuooliks, kuid teadmata põhjustel seedimist ei toimunud. Selle asemel jäid vetikad ellu ja muutusid algloomadele sümbiootiliseks partneriks, toites neid oma fotosünteesi viljadega. See partnerlus süvenes põlvkondade jooksul, kuni uus kaks-ühes organism arenes välja tänapäeval tuntud ränivetikateks. Kuid täiendav membraanikiht, mis oli olnud toiduvakuool, ei kadunud kunagi.

1990. aastate lõpus mõned teadlased oletasid et endises toiduvakuoolis oli tõenäoliselt ikkagi transmembraanse kanali valk, mida nimetatakse prootonpumbaks. Mikrobioloog selgitas, et prootonpumbad on väga mitmekülgsed molekulid, mis võivad olla spetsialiseerunud mitmesugustele organismide ülesannetele, alates seedimisest kuni vere happesuse reguleerimiseni kuni neuronite signaale saatmiseni. Martin Tresguerres, uue uuringu vanem kaasautor ja Yee endine nõustaja UCSD-s. Imetajatel võib ühte tüüpi prootonpump luua väga söövitavaid happelisi tingimusi luude piirkonnas, et lõhkuda nende mineraliseerunud struktuur ja aja jooksul lahustada.

Yee leidis, et seesama prootonpump aitab ka ränikividel valmistada nende sitke ränidioksiidi kesta. Kuid arvestades prootonpumba mitmekülgsust ja selle otsest seost kloroplastiga, oli ta veendunud, et see teeb veelgi rohkem.

Molekulaarbioloogia tehnikate kombinatsiooni kasutades kinnitasid Yee ja tema meeskond, et fütoplanktoni kloroplasti ümbritsev lisamembraan sisaldab aktiivset, funktsionaalset prootonpumpa, mida nimetatakse VHA-ks, mis sageli täidab toiduvakuoolides seedimist. Nad isegi sulatasid prootonpumba fluorestseeruva valguga, et saaksid selle tööd reaalajas jälgida. Nende tähelepanekud toetasid endosümbiootilist teooriat selle kohta, kuidas ränivetikad omandasid oma kloroplastide ümber täiendava membraani.

Jee, Tresguerres ja nende kolleegid olid ka uudishimulikud, kuidas prootonpump võib mõjutada kloroplasti fotosünteesi aktiivsust. Selle väljaselgitamiseks kasutasid nad prootonpumba töö peatamiseks inhibeerivat ravimit konkanamütsiini A, samal ajal kui nad jälgisid, kui palju fütoplankton jätkas süsiniku sidumist karbonaatidega ja hapniku tootmist. Nad leidsid, et prootonpumba inhibeerimine vähendas oluliselt nii süsiniku sidumist kui ka hapniku tootmist rakkudes.

Edasine töö aitas neil mõista, et pump suurendas fotosünteesi, kontsentreerides süsinikku kloroplastide lähedale. Pump viis prootonid tsütoplasmast lisamembraani ja kloroplasti vahele. Sektsiooni suurenenud happesus põhjustas rohkem süsiniku (vesinikkarbonaadiioonide kujul) difundeerumist sektsiooni, et see neutraliseerida. Ensüümid muutsid bikarbonaadi tagasi süsinikdioksiidiks, mis asus seejärel mugavalt kloroplasti süsinikku siduvate ensüümide läheduses.

Kasutades statistikat ränivetikate ja muu lisamembraaniga fütoplanktoni leviku kohta kogu globaalses ookeanis, ekstrapoleerisid teadlased, et see VHA membraanivalgu tõhususe suurendamine moodustab peaaegu 12% Maa atmosfääri hapnikust. Samuti moodustab see igal aastal 7–25% kogu ookeanis leiduvast süsinikust. See on vähemalt 3.5 miljardit tonni süsinikku – peaaegu neli korda rohkem kui ülemaailmne lennundustööstus aastas. Teadlaste hinnangul võib VHA olla vastutav kuni 13.5 miljardi tonni süsiniku sidumise eest aastas.

Teadlased saavad nüüd lisada selle teguri muudele kaalutlustele, hinnates kliimamuutuste mõju sellele, kui kiiresti atmosfääri süsinikdioksiid fikseeritakse orgaanilisteks molekulideks, mis määrab, kui kiiresti planeet soojeneb. See puudutab ka arutelusid selle üle, kas ookeanide happesuse muutused mõjutavad otseselt süsiniku sidumise ja hapniku tootmise kiirust. Yee ütles, et teadlased võivad hakata ka küsima, kas äsja avastatud mehhanismil põhinevad biotehnoloogilised lahendused võivad kliimamuutuste piiramiseks tõhustada süsiniku sidumise protsessi.

Jah, kes nüüd on järeldoktor on Grenoble'is asuva Prantsuse riikliku teadusuuringute keskuse raku- ja taimefüsioloogia laboris uhke, et tema meeskond suutis pakkuda uue mehhanismi, kuidas fotosüntees sellises ökoloogiliselt olulises eluvormis toimub.

"Kuid me mõistame ka, et mida rohkem me õpime, seda vähem me teame," ütles ta.