میکروب ها از یک پمپ پروتون قدرت فوق العاده فتوسنتز به دست آوردند | مجله کوانتا

یک جنگل بارانی متراکم یا سایر پوشش های گیاهی سرسبز زمینی ممکن است اولین چیزی باشد که با ذکر فتوسنتز به ذهن متبادر می شود. با این حال، ابرهای فیتوپلانکتون که اقیانوس‌ها را پر می‌کنند، محرک‌های اصلی این فرآیند در طبیعت هستند. میکروب های آبی تک سلولی گیاه مانند بیش از 50 درصد اکسیژن جو را تولید می کنند و تقریبا نیمی از دی اکسید کربن را جذب می کنند و آن را به گلوکز، چربی ها، پروتئین ها و سایر مولکول های آلی تبدیل می کنند که شبکه غذایی اقیانوس ها را تغذیه می کند. .

A مطالعه به تازگی منتشر شده in زیست شناسی کنونی سرانجام منبع این کارایی بی‌نظیر فتوسنتزی را که مدت‌ها دانشمندان را گیج کرده بود، مشخص کرد. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که برخی از فیتوپلانکتون‌ها مجهز به غشای داخلی اضافی هستند که حامل آنزیم «پمپ پروتون» است که توانایی آنها را برای تبدیل دی‌اکسید کربن به مواد دیگر افزایش می‌دهد. به نظر می‌رسد که پیشرفت‌های ناشی از این یک اصلاح پروتئین به تولید نزدیک به 12 درصد از اکسیژن موجود در هوا و تا 25 درصد از کل کربن «ثابت» (قفل شده در ترکیبات آلی) در اقیانوس کمک می‌کند.

با کمال تعجب، به نظر می رسد که این نوآوری فتوسنتزی به طور تصادفی از یک پروتئین غشایی که در اصل برای هضم در جد فیتوپلانکتون استفاده می شد، تکامل یافته است. علاوه بر توضیح توانایی سلول ها در فتوسنتز، کار جدید به تایید این نظریه کمک می کند که آن فیتوپلانکتون ها از طریق اتحاد همزیستی بین یک تک یاخته و یک جلبک سبز انعطاف پذیر به وجود آمده اند.

او گفت: «به نظر من حیرت آور است که آنزیم پروتونی که ما برای چندین دهه می شناسیم مسئول حفظ چنین پدیده مهمی در زمین است. دنیس براون، یک زیست شناس سلولی در دانشکده پزشکی هاروارد که عملکرد پروتئین های غشایی را مطالعه می کند و در این مطالعه شرکت نداشت.

محققان می‌دانستند که دسته‌های خاصی از فیتوپلانکتون‌ها - دیاتومه‌ها، داینوفلاژلات‌ها و کوکولیتوفورها - به دلیل توانایی‌های استثنایی فتوسنتزی خود متمایز هستند. این سلول ها در جذب دی اکسید کربن از محیط خود و هدایت آن به کلروپلاست های خود برای فتوسنتز مهارت فوق العاده ای دارند، اما جزئیات اینکه چرا آنها در این کار تا این حد خوب هستند، چندان واضح نیست. با این حال، ویژگی منحصر به فرد آن سه گروه فیتوپلانکتون این است که آنها یک غشاء اضافی در اطراف کلروپلاست خود دارند.

هفت سال پیش، میکروبیولوژیست دنیل یینویسنده اصلی مطالعه جدید، برای دکترای خود در موسسه اقیانوس شناسی اسکریپس در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، دیاتومه ها را مطالعه می کرد. تمرکز او بر فتوسنتز نبود. او به دنبال درک چگونگی تنظیم اسیدیته درونی دیاتومها برای کمک به ذخیره مواد مغذی و ساخت دیواره سلولی سیلیسی سخت خود بود. اما او مدام متوجه غشای اضافی منحصربه‌فرد اطراف کلروپلاست آنها می‌شد.

او متوجه شد که غشای اضافی به طور گسترده توسط محققان به عنوان بقایای یک عمل هضم باستانی شکست خورده در نظر گرفته می شود. دانشمندان این فرضیه را مطرح کردند که حدود 200 میلیون سال پیش، یک تک یاخته درنده سعی کرد با یک جلبک فتوسنتزی تک سلولی جشن بگیرد. این جلبک انعطاف پذیر را در ساختار غشایی به نام واکوئل غذایی برای هضم آن پوشانده است، اما به دلایل ناشناخته، هضم اتفاق نیفتاد. در عوض، جلبک زنده ماند و به شریک همزیستی تک یاخته تبدیل شد و میوه های فتوسنتز آن را تغذیه کرد. این مشارکت در طول نسل ها عمیق تر شد تا اینکه ارگانیسم جدید دو در یک به دیاتوم هایی که امروزه می شناسیم تکامل یافت. اما لایه اضافی غشاء که یک واکوئل غذایی بود هرگز ناپدید نشد.

در اواخر دهه 1990 ، برخی از دانشمندان این فرضیه را مطرح کردند که واکوئل غذایی سابق هنوز احتمالا حامل یک پروتئین کانال گذرنده به نام پمپ پروتون است. این میکروبیولوژیست توضیح داد که پمپ های پروتون مولکول های بسیار متنوعی هستند که می توانند برای کارهای مختلف در موجودات، از هضم تا تنظیم اسیدیته خون و کمک به نورون ها برای ارسال سیگنال ها تخصصی شوند. مارتین ترسگرس، یکی از نویسندگان ارشد مطالعه جدید و مشاور سابق یی در UCSD. در پستانداران، یک نوع پمپ پروتون می‌تواند شرایط اسیدی بسیار خورنده‌ای را در نواحی استخوان‌ها ایجاد کند تا ساختار معدنی آن‌ها را شکسته و در طول زمان حل کند.

یی دریافت که همان پمپ پروتون به دیاتوم ها کمک می کند تا پوسته سیلیسی سخت خود را بسازند. اما با توجه به تطبیق پذیری پمپ پروتون و ارتباط مستقیم آن با کلروپلاست، او متقاعد شد که حتی بیشتر از این کار می کند.

یی و تیمش با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی تأیید کردند که غشای اضافی اطراف کلروپلاست فیتوپلانکتون حاوی یک پمپ پروتون فعال و کاربردی است - پمپی به نام VHA که اغلب نقش گوارشی در واکوئل‌های غذایی دارد. آنها حتی پمپ پروتون را به یک پروتئین فلورسنت ذوب کردند تا بتوانند کارکرد آن را در زمان واقعی تماشا کنند. مشاهدات آنها از نظریه درون همزیستی در مورد اینکه چگونه دیاتومها غشای اضافی اطراف کلروپلاست خود را بدست می آورند، پشتیبانی می کند.

بله، Tresguerres و همکارانشان همچنین کنجکاو بودند که چگونه پمپ پروتون ممکن است بر فعالیت فتوسنتزی کلروپلاست تأثیر بگذارد. برای کشف این موضوع، آنها از یک داروی بازدارنده به نام کانکانامایسین A استفاده کردند تا عملکرد پمپ پروتون را متوقف کنند، در حالی که آنها نظارت کردند که فیتوپلانکتون چقدر به ترکیب کربن در کربنات ها و تولید اکسیژن ادامه می دهد. آنها دریافتند که مهار پمپ پروتون به طور قابل توجهی باعث کاهش تثبیت کربن و تولید اکسیژن در سلول ها می شود.

کار بیشتر به آنها کمک کرد تا بفهمند که پمپ فتوسنتز را با تمرکز کربن در نزدیکی کلروپلاست ها افزایش می دهد. پمپ پروتون ها را از سیتوپلاسم به محفظه بین غشای اضافی و کلروپلاست منتقل می کند. افزایش اسیدیته در محفظه باعث شد تا کربن بیشتری (به شکل یون های بی کربنات) به داخل محفظه پخش شود تا آن را خنثی کند. آنزیم ها بی کربنات را دوباره به دی اکسید کربن تبدیل کردند، که پس از آن به راحتی در نزدیکی آنزیم های تثبیت کننده کربن کلروپلاست قرار داشت.

محققان با استفاده از آماری در مورد توزیع دیاتوم ها و سایر فیتوپلانکتون ها با غشای اضافی در سراسر اقیانوس جهانی، دریافتند که این افزایش کارایی از پروتئین غشایی VHA تقریباً 12 درصد از اکسیژن جو زمین را تشکیل می دهد. همچنین بین 7 تا 25 درصد از کل کربن اقیانوسی تثبیت شده در هر سال سهم دارد. این حداقل 3.5 میلیارد تن کربن است - تقریباً چهار برابر بیشتر از تولید سالانه صنعت هوانوردی جهانی. در بالاترین حد برآورد محققان، VHA می تواند مسئول جذب 13.5 میلیارد تن کربن در سال باشد.

دانشمندان اکنون می توانند این عامل را به ملاحظات دیگر در هنگام تخمین اثرات تغییرات آب و هوایی بر سرعت تثبیت دی اکسید کربن جو در مولکول های آلی اضافه کنند، که تعیین می کند با چه سرعتی سیاره به گرم شدن ادامه می دهد. همچنین به بحث در مورد اینکه آیا تغییرات اسیدیته اقیانوس ها تأثیر مستقیمی بر نرخ تثبیت کربن و تولید اکسیژن خواهد داشت یا خیر، می پردازد. یی گفت که دانشمندان همچنین می‌توانند این سوال را مطرح کنند که آیا راه‌حل‌های بیوتکنولوژی مبتنی بر مکانیسم جدید کشف‌شده می‌تواند فرآیند ترسیب کربن را برای محدود کردن تغییرات آب و هوایی بهبود بخشد.

آره الان کیه یک همکار فوق دکتری در آزمایشگاه فیزیولوژی سلولی و گیاهی مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه در گرنوبل، مفتخر است که تیم او توانست مکانیسم جدیدی برای چگونگی فتوسنتز در چنین شکل حیاتی از نظر اکولوژیکی مهم ارائه دهد.

او گفت: «اما ما همچنین می‌دانیم که هر چه بیشتر بیاموزیم، کمتر می‌دانیم.»