미생물은 '양성자 펌프'에서 광합성 초능력을 얻었다 | 콴타 매거진

울창한 열대우림이나 기타 푸르른 육상 식물은 광합성을 언급할 때 가장 먼저 떠오르는 것일 수 있습니다. 그러나 바다를 채우는 식물성 플랑크톤 구름은 자연에서 그 과정의 주요 동인입니다. 식물과 같은 단세포 수생 미생물은 대기 중 산소의 50% 이상을 생성하고 이산화탄소의 거의 절반을 흡수하여 포도당, 지방, 단백질 및 바다의 먹이 사슬에 영양을 공급하는 기타 유기 분자로 전환합니다. .

A 최근 발표 된 연구 in 현재 생물학 오랫동안 과학자들을 당황하게 했던 이 비할 데 없는 광합성 효율성의 근원을 마침내 밝혀냈습니다. 새로운 연구에 따르면 일부 식물성 플랑크톤에는 이산화탄소를 다른 물질로 전환하는 능력을 강화하는 "양성자 펌프" 효소를 운반하는 여분의 내부 막이 장착되어 있습니다. 이 하나의 단백질 변형으로 인한 향상은 공기 중 산소의 거의 12%와 바다의 모든 탄소 "고정"(유기 화합물에 고정됨)의 25% 생산에 기여하는 것으로 보입니다.

놀랍게도 그 광합성 혁신은 원래 식물성 플랑크톤의 조상에서 소화에 사용되었던 막 단백질에서 우연히 진화한 것으로 보입니다. 광합성에서 세포의 능력을 설명하는 것 외에도 새로운 연구는 원생 동물과 탄력 있는 녹조류 사이의 공생 동맹을 통해 식물 플랑크톤이 발생했다는 이론을 확인하는 데 도움이 됩니다.

"우리가 수십 년 동안 알고 있던 양성자 효소가 지구상에서 그러한 중요한 현상을 유지하는 데 책임이 있다는 사실이 놀랍습니다."라고 말했습니다. 데니스 브라운, 막 단백질의 기능을 연구하고 연구에 참여하지 않은 하버드 의과 대학의 세포 생물학자.

연구원들은 규조류, dinoflagellates 및 coccolithophores와 같은 특정 종류의 식물성 플랑크톤이 뛰어난 광합성 능력을 발휘한다는 것을 알고 있었습니다. 그 세포들은 환경에서 이산화탄소를 흡수하고 광합성을 위해 엽록체로 보내는 데 매우 능숙하지만, 그들이 왜 그렇게 잘하는지에 대한 자세한 내용은 명확하지 않습니다. 그러나 이 세 그룹의 식물성 플랑크톤에 고유한 특징은 엽록체 주위에 여분의 막을 가지고 있다는 것입니다.

XNUMX년 전 미생물학자 다니엘 이새로운 연구의 주 저자인 은 샌디에이고에 있는 캘리포니아 대학의 스크립스 해양학 연구소에서 박사 학위를 위해 규조류를 연구하고 있었습니다. 광합성은 그의 초점이 아니었습니다. 그는 규조류가 영양분 저장을 돕고 견고한 실리카 세포벽을 구축하기 위해 내부 산도를 조절하는 방법을 이해하려고 했습니다. 그러나 그는 엽록체 주변에 독특한 추가 막이 있음을 계속해서 알아차렸습니다.

그는 여분의 막이 연구원들에 의해 고대의 실패한 소화 작용의 잔재로 널리 간주된다는 것을 알게 되었습니다. 과학자들은 약 200억년 전에 포식성 원생동물이 단세포 광합성 조류를 포식하려 했다고 가정했습니다. 탄력 있는 조류를 식포라는 막 구조로 감싸 소화시켰지만 알 수 없는 이유로 소화가 일어나지 않았다. 대신에 조류는 살아남아 원생동물의 공생 파트너가 되어 광합성의 열매를 먹이로 삼았습니다. 이 파트너십은 새로운 투인원(two-in-one) 유기체가 오늘날 우리가 알고 있는 규조류로 진화할 때까지 여러 세대에 걸쳐 심화되었습니다. 그러나 식포였던 막의 여분의 층은 결코 사라지지 않았습니다.

1990 년대 후반 일부 과학자들은 가설을 세웠다 이전 식포는 여전히 양성자 펌프라고 하는 막관통 채널 단백질을 운반할 가능성이 있었습니다. 양성자 펌프는 소화에서 혈액 산도 조절, 뉴런이 신호를 보내는 데 도움이 되는 유기체의 다양한 작업에 특화될 수 있는 매우 다재다능한 분자라고 미생물학자는 설명했습니다. 마틴 트레스게레스, 새로운 연구의 수석 공동 저자이자 UCSD에서 Yee의 전 고문. 포유류에서 한 유형의 양성자 펌프는 뼈 영역 내에서 부식성이 강한 산성 조건을 생성하여 시간이 지남에 따라 광물 구조를 분해하고 용해시킬 수 있습니다.

Yee는 동일한 양성자 펌프가 규조류가 단단한 실리카 껍질을 만드는 데에도 도움이 된다는 사실을 발견했습니다. 그러나 양성자 펌프의 다재다능함과 엽록체와의 직접적인 연관성을 고려할 때 그는 그것이 훨씬 더 많은 일을 할 것이라고 확신했습니다.

분자 생물학 기술의 조합을 사용하여 Yee와 그의 팀은 식물성 플랑크톤 엽록체 주변의 여분의 막에 능동적이고 기능적인 양성자 펌프가 포함되어 있음을 확인했습니다. VHA는 종종 식포에서 소화 역할을 합니다. 그들은 실시간으로 작동하는 것을 볼 수 있도록 양성자 펌프를 형광 단백질에 융합시키기도 했습니다. 그들의 관찰은 규조류가 엽록체 주위에 여분의 막을 어떻게 획득했는지에 대한 세포내 공생 이론을 뒷받침했습니다.

Yee, Tresguerres와 그들의 동료들은 양성자 펌프가 엽록체의 광합성 활동에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해서도 궁금해했습니다. 이를 알아보기 위해 억제 약물인 concanamycin A를 사용하여 양성자 펌프의 작동을 중단하는 한편 식물성 플랑크톤이 탄소를 탄산염에 통합하고 산소를 생성하는 정도를 모니터링했습니다. 그들은 양성자 펌프의 억제가 세포의 탄소 고정과 산소 생산을 상당히 감소시킨다는 것을 발견했습니다.

추가 작업을 통해 펌프가 엽록체 근처에 탄소를 집중시켜 광합성을 강화한다는 사실을 이해하는 데 도움이 되었습니다. 펌프는 양성자를 세포질에서 여분의 막과 엽록체 사이의 구획으로 옮겼습니다. 구획의 산도가 증가하면 더 많은 탄소(중탄산염 이온 형태)가 구획으로 확산되어 중화됩니다. 효소는 중탄산염을 다시 이산화탄소로 전환시켰고, 이는 엽록체의 탄소 고정 효소 근처에 편리하게 있었습니다.

연구원들은 전 세계 바다 전체에 걸쳐 여분의 막을 가진 규조 및 기타 식물성 플랑크톤의 분포에 대한 통계를 사용하여 VHA 막 단백질의 효율성 향상이 지구 대기 산소의 거의 12%를 차지한다고 추정했습니다. 또한 매년 고정된 모든 해양 탄소의 7%에서 25% 사이에 기여합니다. 이는 최소 3.5억 톤의 탄소로, 전 세계 항공 산업이 매년 배출하는 양의 거의 13.5배입니다. 연구자들의 추정치의 최고점에서 VHA는 연간 XNUMX억 톤의 탄소를 묶는 데 책임이 있을 수 있습니다.

이제 과학자들은 대기 중 이산화탄소가 유기 분자에 고정되는 속도에 대한 기후 변화의 영향을 추정할 때 다른 고려 사항에 이 요소를 추가할 수 있습니다. 또한 해양 산도의 변화가 탄소 고정 및 산소 생산 속도에 직접적인 영향을 미칠지 여부에 대한 논의와도 관련이 있습니다. Yee는 과학자들이 새로 발견된 메커니즘에 기반한 생명공학 솔루션이 기후 변화를 제한하기 위해 탄소 격리 프로세스를 향상시킬 수 있는지 여부를 묻기 시작할 수 있다고 말했습니다.

야 지금 누구야 박사후 연구원 그르노블에 있는 프랑스 국립 과학 연구 센터의 세포 및 식물 생리학 연구실에 있는 그는 그의 팀이 생태학적으로 중요한 생명체에서 어떻게 광합성이 일어나는지에 대한 새로운 메커니즘을 제공할 수 있었다는 것을 자랑스럽게 생각합니다.

"그러나 우리는 또한 우리가 더 많이 배울수록 우리가 아는 것이 적어진다는 것을 깨닫습니다."라고 그는 말했습니다.