微生物は「プロトンポンプ」から光合成の超能力を獲得した | クアンタマガジン

光合成と聞いて最初に思い浮かぶのは、鬱蒼とした熱帯雨林やその他の緑豊かな陸生植物かもしれません。 しかし、海を満たす植物プランクトンの雲は、自然界におけるそのプロセスの主な推進力です。 植物のような単細胞の水生微生物は、大気中の酸素の 50% 以上を生成し、二酸化炭素のほぼ半分を吸収して、海の食物網を養うグルコース、脂肪、タンパク質、その他の有機分子に変換します。 。

A 最近発表された研究 in 現在の生物学 長い間科学者を困惑させてきた、この比類のない光合成効率の原因がついに突き止められた。 新しい研究では、一部の植物プランクトンは、二酸化炭素を他の物質に変換する能力を強化する「プロトンポンプ」酵素を運ぶ余分な内膜を備えていることが判明した。 このタンパク質の 12 つの修飾による強化は、空気中の酸素の 25% 近くと、海洋に「固定された」(有機化合物に閉じ込められた) 全炭素の XNUMX% もの生成に寄与しているようです。

驚くべきことに、その光合成の革新は、もともと植物プランクトンの祖先で消化に使用されていた膜タンパク質から偶然に進化したようです。 この新しい研究は、細胞の光合成能力を説明することに加えて、それらの植物プランクトンが原生動物と回復力のある緑藻類との共生同盟を通じて生じたという理論を裏付けるのに役立つ。

「私たちが何十年も前から知っている陽子酵素が、地球上のこのような重要な現象の維持に関与しているということは驚くべきことだと思います。」と彼は言いました。 デニス·ブラウン、ハーバード大学医学部の細胞生物学者で、膜タンパク質の機能を研究していますが、この研究には関与していませんでした。

研究者らは、特定の種類の植物プランクトン（珪藻、渦鞭毛藻、円石藻）がその並外れた光合成能力で際立っていることを知っていました。 これらの細胞は、環境から二酸化炭素を吸収し、それを葉緑体に送って光合成を行うことに非常に熟練していますが、なぜこれほど優れているのかの詳細はあまり明らかになっていません。 ただし、これら XNUMX つのグループの植物プランクトンに特有の特徴は、葉緑体の周囲に余分な膜があることです。

XNUMX年前、微生物学者は ダニエル・イー新しい研究の筆頭著者である彼は、カリフォルニア大学サンディエゴ校のスクリップス海洋研究所で博士号取得のために珪藻を研究していました。 彼の焦点は光合成ではありませんでした。 彼は、珪藻が栄養素の貯蔵を助け、丈夫なシリカ細胞壁を構築するために内部の酸性度をどのように調節しているかを理解しようと努めました。 しかし、彼は葉緑体の周りに独特の追加の膜があることに気づき続けました。

彼は、余分な膜が古代の失敗した消化行為の名残として研究者たちに広く見なされていることを知りました。 科学者らは、約200億年前、捕食性の原生動物が単細胞の光合成藻類を捕食しようとしたと仮説を立てた。 弾力性のある藻類を食胞と呼ばれる膜構造で包み込んで消化していましたが、理由は不明ですが消化は行われませんでした。 その代わりに、藻類は生き残り、原生動物との共生パートナーとなり、原生動物に光合成の成果を与えました。 このパートナーシップは世代を経て深まり、新しい XNUMX つの機能を備えた生物が今日私たちが知っている珪藻に進化しました。 しかし、食物の空胞であった余分な膜の層は決して消えませんでした。

1990年代後半、 何人かの科学者は仮説を立てました 以前の食物空胞はまだプロトンポンプと呼ばれる膜貫通チャネルタンパク質を運んでいる可能性が高いと考えられています。 プロトンポンプは、消化から血液酸性度の調節、ニューロンの信号送信の支援まで、生物のさまざまな役割に特化できる非常に汎用性の高い分子であると微生物学者は説明した マルティン・トレゲレス、新しい研究の上級共著者であり、UCSD のイーの元顧問。 哺乳類では、あるタイプのプロトンポンプが骨の領域内に腐食性の高い酸性状態を作り出し、骨の石灰化構造を破壊し、時間の経過とともに骨を溶解します。

イー氏は、同じプロトンポンプが珪藻が丈夫なシリカの殻を作るのにも役立っていることを発見した。 しかし、プロトンポンプの多用途性と葉緑体との直接的な関係を考慮すると、プロトンポンプはさらに多くの効果を発揮すると彼は確信しました。

イー氏と彼のチームは、分子生物学の技術を組み合わせて、植物プランクトンの葉緑体の周囲の余分な膜に、活発で機能的なプロトンポンプが存在することを確認した。プロトンポンプは、しばしば食物液胞で消化の役割を果たすVHAと呼ばれるものである。 彼らはプロトンポンプを蛍光タンパク質に融合させて、プロトンポンプの動作をリアルタイムで観察できるようにしました。 彼らの観察は、珪藻がどのようにして葉緑体の周囲に余分な膜を獲得したかについての内部共生理論を裏付けました。

そう、Tresguerres 氏とその同僚たちは、プロトンポンプが葉緑体の光合成活性にどのような影響を与えるのかについても興味を持っていました。 それを解明するために、彼らは阻害剤であるコンカナマイシンAを使用してプロトンポンプの動作を停止し、その間に植物プランクトンがどれだけ炭素を炭酸塩に取り込んで酸素を生成し続けるかを監視した。 彼らは、プロトンポンプを阻害すると、細胞内の炭素固定と酸素生成の両方が大幅に減少することを発見しました。

さらなる研究により、ポンプが葉緑体の近くに炭素を集中させることで光合成を促進したことが理解できました。 ポンプはプロトンを細胞質から余分な膜と葉緑体の間の区画に輸送しました。 コンパートメント内の酸性度が増加すると、より多くの炭素 (重炭酸イオンの形で) がコンパートメント内に拡散し、コンパートメントを中和します。 酵素は重炭酸塩を二酸化炭素に戻し、二酸化炭素は都合よく葉緑体の炭素固定酵素の近くにありました。

研究者らは、地球全体の海洋全体にわたる余分な膜を持つ珪藻やその他の植物プランクトンの分布に関する統計を用いて、VHA膜タンパク質による効率の向上が地球の大気中の酸素のほぼ12%を占めると推定した。 また、毎年固定される海洋炭素全体の 7% から 25% にも寄与しています。 これは少なくとも 3.5 億トンの炭素に相当し、世界の航空業界が年間排出する量のほぼ 13.5 倍に相当します。 研究者の推定の上限では、VHA は年間 XNUMX 億トンもの炭素を拘束する可能性があります。

科学者たちは、大気中の二酸化炭素がどれだけ早く有機分子に固定されるかという気候変動の影響を推定する際に、この要素を他の考慮事項に加えることができるようになりました。これは、地球の温暖化がどの程度早く進むかを決定します。 また、海洋の酸性度の変化が炭素固定と酸素生成の速度に直接影響を与えるかどうかについての議論にも影響を及ぼします。 イー教授は、科学者は、新たに発見されたメカニズムに基づくバイオテクノロジーの解決策が炭素隔離のプロセスを強化して気候変動を制限できるかどうかを検討し始めることもできると述べた。

そうだ、今は誰だ ポスドク グルノーブルにあるフランス国立科学研究センターの細胞・植物生理学研究室の博士は、彼のチームがこのような生態学的に重要な生命体で光合成がどのように起こるかについての新しいメカニズムを提供できたことを誇りに思っています。

「しかし、私たちは学べば学ぶほど知識が減っていくことにも気づいています。」と彼は言いました。