A mikrobák fotoszintézis szuperképességeket szereztek egy „protonszivattyúval” | Quanta Magazin

A fotoszintézis említésekor először egy sűrű esőerdő vagy más zöldellő szárazföldi növényzet juthat eszünkbe. Az óceánokat kitöltő fitoplanktonfelhők azonban ennek a természeti folyamatnak a fő mozgatórugói. A növényszerű egysejtű vízi mikrobák a légkör oxigénjének több mint 50%-át állítják elő, és a szén-dioxid közel felét felszívják, glükózzá, zsírokká, fehérjékké és más szerves molekulákká alakítva, amelyek táplálják az óceánok táplálékhálózatát. .

A nemrégiben közzétett tanulmány in Current Biology végül feltárja ennek a páratlan fotoszintetikus hatékonyságnak a forrását, amely régóta zavarta a tudósokat. Az új kutatás megállapította, hogy egyes fitoplanktonokat extra belső membránnal látták el, amely egy „protonpumpa” enzimet hordoz, amely túltölti a szén-dioxid más anyagokká történő átalakítását. Úgy tűnik, hogy ennek az egyetlen fehérjemódosításnak köszönhető fejlesztések hozzájárulnak a levegőben lévő oxigén közel 12%-ának és az óceánban „megkötött” (szerves vegyületekbe zárt) szén 25%-ának előállításához.

Meglepő módon úgy tűnik, hogy a fotoszintetikus innováció véletlenül egy membránfehérjéből fejlődött ki, amelyet eredetileg a fitoplankton ősében használtak emésztésre. Amellett, hogy megmagyarázza a sejtek fotoszintézisben való képességét, az új munka segít megerősíteni azt az elméletet, hogy ezek a fitoplanktonok egy protozoon és egy ellenálló zöld alga szimbiotikus szövetsége révén keletkeztek.

„Megdöbbentőnek találom, hogy egy proton enzim, amelyet oly sok évtizede ismerünk, felelős egy ilyen döntő jelenség fenntartásáért a Földön” – mondta. Dennis Brown, a Harvard Medical School sejtbiológusa, aki a membránfehérjék funkcióit tanulmányozza, és nem vett részt a vizsgálatban.

A kutatók tudták, hogy a fitoplankton bizonyos osztályai – kovaalgák, dinoflagellaták és kokkolitofórok – kivételes fotoszintetikus képességeik miatt tűnnek ki. Ezek a sejtek rendkívül jártasak a szén-dioxid elnyelésében a környezetükből, és a kloroplasztiszokhoz való irányításában fotoszintézis céljából, de a részletek arról, hogy miért olyan jók ebben, nem egészen világosak. A fitoplanktonok e három csoportjára jellemző sajátosság azonban, hogy a kloroplasztisz körül egy extra membrán található.

Hét évvel ezelőtt a mikrobiológus Daniel Yee, az új tanulmány vezető szerzője, a Kaliforniai Egyetem San Diego-i Scripps Oceanográfiai Intézetében végzett doktori fokozatának megszerzéséhez kovaalgákat tanulmányozott. Nem a fotoszintézis volt a fókuszában; Arra törekedett, hogy megértse, hogyan szabályozzák a kovaföldek belső savasságukat, hogy segítsék a tápanyagraktározást és építsék fel szívós szilícium-dioxid sejtfalukat. De folyamatosan észrevette az egyedülálló kiegészítő membránt a kloroplasztik körül.

Megtudta, hogy az extra membránt a kutatók széles körben egy ősi, sikertelen emésztési aktus maradványának tekintették. A tudósok azt feltételezték, hogy körülbelül 200 millió évvel ezelőtt egy ragadozó protozoon megpróbált lakmározni egy egysejtű fotoszintetikus algán. Az emésztéshez egy membránszerkezetbe burkolta be a rugalmas algát, amelyet táplálékvakuólumnak neveznek, de ismeretlen okokból az emésztés nem történt meg. Ehelyett az alga túlélte, és szimbiotikus partnere lett a protozoonnak, táplálva a fotoszintézis gyümölcsével. Ez a partnerség generációkon keresztül elmélyült, mígnem az új „kettő az egyben” organizmus a ma ismert kovamoszatokká fejlődött. De a membrán extra rétege, amely korábban élelmiszer-vákuum volt, soha nem tűnt el.

Az 1990-as évek végén egyes tudósok feltételezték hogy az egykori táplálékvakuólum valószínűleg még hordozott egy protonpumpának nevezett transzmembráncsatorna-fehérjét. A protonpumpák rendkívül sokoldalú molekulák, amelyek az emésztéstől kezdve a vér savasságának szabályozásán át a neuronok jelküldéséig különféle feladatokra specializálódhatnak az organizmusokban – magyarázta a mikrobiológus. Martin Tresguerres, az új tanulmány vezető társszerzője és Yee korábbi tanácsadója az UCSD-nél. Emlősökben a protonpumpa egyik típusa erősen korrozív savas körülményeket tud létrehozni a csontok területein, hogy lebontsa a csontok mineralizált szerkezetét, és idővel feloldja azokat.

Yee úgy találta, hogy ugyanaz a protonpumpa segít a kovamoszatoknak a kemény szilícium-dioxid héj létrehozásában is. De figyelembe véve a protonpumpa sokoldalúságát és közvetlen kapcsolatát a kloroplasztiszokkal, meg volt győződve arról, hogy még többet is tesz.

Molekuláris biológiai technikák kombinációjával Yee és csapata megerősítette, hogy a fitoplankton kloroplasztja körüli extra membrán valóban tartalmaz egy aktív, működőképes protonpumpát – az úgynevezett VHA-t, amely gyakran emésztőszerepet tölt be az élelmiszer-vákuumokban. Még a protonpumpát egy fluoreszcens fehérjével is egyesítették, hogy valós időben nézhessék a működését. Megfigyeléseik alátámasztották azt az endoszimbiotikus elméletet, hogy a kovamoszat hogyan szerezte meg a kloroplasztisz körüli extra membránt.

Igen, Tresguerres és kollégáik arra is kíváncsiak voltak, hogy a protonpumpa hogyan befolyásolhatja a kloroplaszt fotoszintetikus aktivitását. Ennek kiderítésére egy gátló gyógyszert, a concanamycin A-t használtak a protonpumpa működésének leállítására, miközben azt figyelték, hogy a fitoplankton milyen mértékben építi be a szenet a karbonátokba és termel oxigént. Azt találták, hogy a protonpumpa gátlása szignifikánsan csökkentette mind a szénmegkötést, mind az oxigéntermelést a sejtekben.

A további munka segített nekik megérteni, hogy a pumpa javítja a fotoszintézist azáltal, hogy a szenet koncentrálja a kloroplasztiszok közelében. A pumpa protonokat vitt át a citoplazmából az extra membrán és a kloroplaszt közötti rekeszbe. A megnövekedett savasság hatására több szén (bikarbonát ionok formájában) diffundált be a rekeszbe, hogy semlegesítse azt. Az enzimek a bikarbonátot visszaalakították szén-dioxiddá, amely aztán kényelmesen a kloroplasztisz szénmegkötő enzimei közelében volt.

A kovaalgák és más, extra membránnal rendelkező fitoplanktonok globális óceánon belüli eloszlására vonatkozó statisztikák felhasználásával a kutatók extrapolálták, hogy a VHA membránfehérjéből származó hatékonyságnövekedés a Föld légköri oxigénjének csaknem 12%-át teszi ki. Ezenkívül az évente megkötött óceáni szén 7–25%-át teszi ki. Ez legalább 3.5 milliárd tonna szén – csaknem négyszer annyi, mint amennyit a globális légiközlekedési ipar évente kibocsát. A kutatók becslése szerint a VHA évente akár 13.5 milliárd tonna szén lekötéséért is felelős lehet.

A tudósok most hozzáadhatják ezt a tényezőt más szempontokhoz, amikor megbecsülik az éghajlatváltozás hatását arra vonatkozóan, hogy milyen gyorsan kötődik a légköri szén-dioxid szerves molekulákká, ami meghatározza, hogy a bolygó milyen gyorsan fog tovább felmelegedni. Kifejezetten érinti azt a vitát is, hogy az óceánok savasságának változásai közvetlen hatással lesznek-e a szénmegkötés és az oxigéntermelés sebességére. Yee elmondta, hogy a tudósok feltehetik a kérdést, hogy az újonnan felfedezett mechanizmuson alapuló biotechnológiai megoldások javíthatják-e a szén-dioxid-megkötési folyamatot az éghajlatváltozás korlátozása érdekében.

Igen, ki van most posztdoktori ösztöndíjas a Grenoble-i francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ Sejt- és Növényfiziológiai Laboratóriumában, büszke arra, hogy csapata új mechanizmust tudott nyújtani arra vonatkozóan, hogyan megy végbe a fotoszintézis egy ilyen ökológiailag fontos életformában.

„De azt is felismerjük – mondta –, hogy minél többet tanulunk, annál kevesebbet tudunk.