सूक्ष्मजीवों ने 'प्रोटॉन पंप' से प्रकाश संश्लेषण की महाशक्तियाँ प्राप्त कीं | क्वांटा पत्रिका

प्रकाश संश्लेषण का नाम आते ही सबसे पहले मन में घने वर्षावन या अन्य हरी-भरी स्थलीय वनस्पति का ख्याल आता है। फिर भी महासागरों को भरने वाले फाइटोप्लांकटन के बादल प्रकृति में उस प्रक्रिया के प्रमुख चालक हैं। पौधे जैसे एकल-कोशिका वाले जलीय सूक्ष्मजीव वायुमंडल में 50% से अधिक ऑक्सीजन उत्पन्न करते हैं, और वे लगभग आधे कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करते हैं, इसे ग्लूकोज, वसा, प्रोटीन और अन्य कार्बनिक अणुओं में परिवर्तित करते हैं जो महासागरों के खाद्य जाल को पोषण देते हैं। .

A हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन in वर्तमान जीवविज्ञान अंततः इस अद्वितीय प्रकाश संश्लेषक दक्षता के स्रोत का पता चल गया, जिसने वैज्ञानिकों को लंबे समय से चकित कर रखा है। नए शोध में पाया गया कि कुछ फाइटोप्लांकटन एक अतिरिक्त आंतरिक झिल्ली से लैस होते हैं जिसमें एक "प्रोटॉन पंप" एंजाइम होता है जो कार्बन डाइऑक्साइड को अन्य पदार्थों में परिवर्तित करने की उनकी क्षमता को सुपरचार्ज करता है। इस एक प्रोटीन संशोधन के कारण होने वाली वृद्धि हवा में लगभग 12% ऑक्सीजन और समुद्र में सभी "स्थिर" (कार्बनिक यौगिकों में बंद) कार्बन के 25% के उत्पादन में योगदान करती प्रतीत होती है।

आश्चर्य की बात है कि वह प्रकाश संश्लेषक नवाचार एक झिल्ली प्रोटीन से संयोगवश विकसित हुआ प्रतीत होता है जिसका उपयोग मूल रूप से फाइटोप्लांकटन के पूर्वजों में पाचन के लिए किया जाता था। प्रकाश संश्लेषण में कोशिकाओं की क्षमता को समझाने के अलावा, नया काम इस सिद्धांत की पुष्टि करने में मदद करता है कि ये फाइटोप्लांकटन एक प्रोटोजोआ और एक लचीले हरे शैवाल के बीच सहजीवी गठबंधन के माध्यम से उत्पन्न हुए थे।

"मुझे यह आश्चर्यजनक लगता है कि एक प्रोटॉन एंजाइम जिसे हम कई दशकों से जानते हैं, वह पृथ्वी पर इतनी महत्वपूर्ण घटना को बनाए रखने के लिए जिम्मेदार है," उन्होंने कहा। डेनिस ब्राउन, हार्वर्ड मेडिकल स्कूल के एक कोशिका जीवविज्ञानी जो झिल्ली प्रोटीन के कार्यों का अध्ययन करते हैं और अध्ययन में शामिल नहीं थे।

शोधकर्ताओं को पता था कि फाइटोप्लांकटन के कुछ वर्ग - डायटम, डायनोफ्लैगलेट्स और कोकोलिथोफोरस - अपनी असाधारण प्रकाश संश्लेषक क्षमताओं के लिए विशिष्ट हैं। वे कोशिकाएं अपने पर्यावरण से कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने और प्रकाश संश्लेषण के लिए इसे अपने क्लोरोप्लास्ट में निर्देशित करने में बेहद कुशल हैं, लेकिन वे इसमें इतनी अच्छी क्यों हैं इसका विवरण बहुत स्पष्ट नहीं है। हालाँकि, फाइटोप्लांकटन के उन तीन समूहों की एक अनोखी विशेषता यह है कि उनके क्लोरोप्लास्ट के चारों ओर एक अतिरिक्त झिल्ली होती है।

सात साल पहले, सूक्ष्म जीवविज्ञानी डेनियल यीनए अध्ययन के प्रमुख लेखक, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो में स्क्रिप्स इंस्टीट्यूशन ऑफ ओशनोग्राफी में अपने डॉक्टरेट के लिए डायटम का अध्ययन कर रहे थे। प्रकाश संश्लेषण उनका फोकस नहीं था; उन्होंने यह समझने की कोशिश की कि डायटम पोषक तत्वों के भंडारण में मदद करने और अपनी कठोर सिलिका सेल दीवार बनाने के लिए अपनी आंतरिक अम्लता को कैसे नियंत्रित करते हैं। लेकिन वह उनके क्लोरोप्लास्ट के चारों ओर अद्वितीय अतिरिक्त झिल्ली को देखता रहा।

उन्हें पता चला कि शोधकर्ताओं द्वारा अतिरिक्त झिल्ली को व्यापक रूप से पाचन के एक प्राचीन, विफल कार्य के अवशेष के रूप में माना जाता था। वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया कि लगभग 200 मिलियन वर्ष पहले, एक शिकारी प्रोटोजोआ ने एककोशिकीय प्रकाश संश्लेषक शैवाल पर दावत करने की कोशिश की थी। इसने लचीले शैवाल को पचाने के लिए भोजन रिक्तिका नामक एक झिल्ली संरचना में ढँक दिया, लेकिन अज्ञात कारणों से, पाचन नहीं हो सका। इसके बजाय, शैवाल जीवित रहा और प्रोटोजोआ का सहजीवी भागीदार बन गया, और उसे अपने प्रकाश संश्लेषण का फल खिलाया। यह साझेदारी पीढ़ी-दर-पीढ़ी गहरी होती गई जब तक कि नया टू-इन-वन जीव उस डायटम में विकसित नहीं हो गया जिसे हम आज जानते हैं। लेकिन झिल्ली की अतिरिक्त परत जो भोजन रिक्तिका थी, कभी गायब नहीं हुई।

देर 1990s में, कुछ वैज्ञानिकों ने परिकल्पना की पूर्व खाद्य रिक्तिका में अभी भी एक ट्रांसमेम्ब्रेन चैनल प्रोटीन जिसे प्रोटॉन पंप कहा जाता है, ले जाने की संभावना थी। माइक्रोबायोलॉजिस्ट ने बताया कि प्रोटॉन पंप अत्यधिक बहुमुखी अणु हैं जिन्हें पाचन से लेकर रक्त अम्लता को विनियमित करने से लेकर न्यूरॉन्स को संकेत भेजने में मदद करने तक जीवों में विविध कार्यों के लिए विशेषीकृत किया जा सकता है। मार्टिन ट्रेस्गुएरेस, नए अध्ययन के वरिष्ठ सह-लेखक और यूसीएसडी में यी के पूर्व सलाहकार। स्तनधारियों में, एक प्रकार का प्रोटॉन पंप उनकी खनिज संरचना को तोड़ने और समय के साथ उन्हें भंग करने के लिए हड्डियों के क्षेत्रों के भीतर अत्यधिक संक्षारक अम्लीय स्थिति पैदा कर सकता है।

यी ने पाया कि वही प्रोटॉन पंप डायटम को अपना कठोर सिलिका शेल बनाने में भी मदद करता है। लेकिन प्रोटॉन पंप की बहुमुखी प्रतिभा और क्लोरोप्लास्ट के साथ इसके सीधे संबंध को देखते हुए, उन्हें विश्वास था कि यह और भी अधिक काम करता है।

आणविक जीवविज्ञान तकनीकों के संयोजन का उपयोग करते हुए, यी और उनकी टीम ने पुष्टि की कि फाइटोप्लांकटन क्लोरोप्लास्ट के चारों ओर अतिरिक्त झिल्ली में एक सक्रिय, कार्यात्मक प्रोटॉन पंप होता है - जिसे वीएचए कहा जाता है जो अक्सर भोजन रिक्तिका में पाचन भूमिका निभाता है। यहां तक ​​कि उन्होंने प्रोटॉन पंप को एक फ्लोरोसेंट प्रोटीन में भी जोड़ दिया ताकि वे वास्तविक समय में इसे काम करते हुए देख सकें। उनकी टिप्पणियों ने एंडोसिम्बायोटिक सिद्धांत का समर्थन किया कि डायटम ने अपने क्लोरोप्लास्ट के चारों ओर अतिरिक्त झिल्ली कैसे हासिल की।

यी, ट्रेस्गुएरेस और उनके सहकर्मी भी इस बात को लेकर उत्सुक थे कि प्रोटॉन पंप क्लोरोप्लास्ट की प्रकाश संश्लेषक गतिविधि को कैसे प्रभावित कर सकता है। यह पता लगाने के लिए, उन्होंने प्रोटॉन पंप के संचालन को रोकने के लिए एक निरोधात्मक दवा, कॉन्कैनामाइसिन ए का उपयोग किया, जबकि उन्होंने निगरानी की कि फाइटोप्लांकटन कितना कार्बन को कार्बोनेट में शामिल करता है और ऑक्सीजन का उत्पादन करता है। उन्होंने पाया कि प्रोटॉन पंप के अवरोध से कोशिकाओं में कार्बन निर्धारण और ऑक्सीजन उत्पादन दोनों में काफी कमी आई।

आगे के काम से उन्हें यह समझने में मदद मिली कि पंप ने क्लोरोप्लास्ट के पास कार्बन को केंद्रित करके प्रकाश संश्लेषण को बढ़ाया। पंप ने प्रोटॉन को साइटोप्लाज्म से अतिरिक्त झिल्ली और क्लोरोप्लास्ट के बीच के डिब्बे में स्थानांतरित कर दिया। डिब्बे में बढ़ी हुई अम्लता के कारण उसे निष्क्रिय करने के लिए अधिक कार्बन (बाइकार्बोनेट आयनों के रूप में) डिब्बे में फैल गया। एंजाइमों ने बाइकार्बोनेट को वापस कार्बन डाइऑक्साइड में बदल दिया, जो तब आसानी से क्लोरोप्लास्ट के कार्बन-फिक्सिंग एंजाइमों के पास था।

वैश्विक महासागर में अतिरिक्त झिल्ली के साथ डायटम और अन्य फाइटोप्लांकटन के वितरण पर आंकड़ों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि वीएचए झिल्ली प्रोटीन से दक्षता में यह वृद्धि पृथ्वी के वायुमंडलीय ऑक्सीजन का लगभग 12% है। यह प्रत्येक वर्ष निर्धारित होने वाले सभी समुद्री कार्बन में 7% से 25% के बीच योगदान देता है। यह कम से कम 3.5 बिलियन टन कार्बन है - जो वैश्विक विमानन उद्योग द्वारा सालाना उत्सर्जित होने वाले कार्बन से लगभग चार गुना अधिक है। शोधकर्ताओं के अनुमान के अनुसार, वीएचए प्रति वर्ष 13.5 बिलियन टन कार्बन जमा करने के लिए जिम्मेदार हो सकता है।

वैज्ञानिक अब जलवायु परिवर्तन के प्रभावों का आकलन करते समय इस कारक को अन्य विचारों में जोड़ सकते हैं कि वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड कार्बनिक अणुओं में कितनी तेजी से स्थिर होता है, जो यह निर्धारित करता है कि ग्रह कितनी तेजी से गर्म होता रहेगा। यह इस बात पर भी चर्चा करता है कि क्या समुद्र की अम्लता में परिवर्तन का कार्बन निर्धारण और ऑक्सीजन उत्पादन की दर पर सीधा प्रभाव पड़ेगा। यी ने कहा कि वैज्ञानिक यह भी पूछना शुरू कर सकते हैं कि क्या नए खोजे गए तंत्र पर आधारित जैव प्रौद्योगिकी समाधान जलवायु परिवर्तन को सीमित करने के लिए कार्बन पृथक्करण की प्रक्रिया को बढ़ा सकते हैं।

हाँ, अब कौन है? एक पोस्टडॉक्टोरल फेलो ग्रेनोबल में फ्रेंच नेशनल सेंटर फॉर साइंटिफिक रिसर्च की सेल और प्लांट फिजियोलॉजी प्रयोगशाला में गर्व है कि उनकी टीम इस तरह के पारिस्थितिक रूप से महत्वपूर्ण जीवन रूप में प्रकाश संश्लेषण कैसे होता है, इसके लिए एक नया तंत्र प्रदान करने में सक्षम थी।

"लेकिन हमें यह भी एहसास है," उन्होंने कहा, "जितना अधिक हम सीखते हैं, उतना ही कम हम जानते हैं।"