Microben verkregen fotosynthese-superkrachten van een 'protonenpomp' | Quanta-tijdschrift

Een dicht regenwoud of andere groene terrestrische vegetatie kan het eerste zijn dat in je opkomt bij het noemen van fotosynthese. Maar de wolken van fytoplankton die de oceanen vullen, zijn de belangrijkste aanjagers van dat proces in de natuur. De plantachtige eencellige aquatische microben genereren meer dan 50% van de zuurstof in de atmosfeer, en ze absorberen bijna de helft van de kooldioxide, en zetten het om in de glucose, vetten, eiwitten en andere organische moleculen die het voedselweb van de oceanen voeden .

A recent gepubliceerde studie in Current Biology legt eindelijk de bron vast van deze ongeëvenaarde fotosynthese-efficiëntie, die wetenschappers al lang verbijsterd heeft. Uit het nieuwe onderzoek bleek dat sommige fytoplankton zijn uitgerust met een extra inwendig membraan dat een "protonpomp" -enzym draagt ​​dat hun vermogen om koolstofdioxide om te zetten in andere stoffen een boost geeft. De verbeteringen als gevolg van deze ene eiwitmodificatie lijken bij te dragen aan de productie van bijna 12% van de zuurstof in de lucht en maar liefst 25% van alle koolstof "vast" (opgesloten in organische verbindingen) in de oceaan.

Verrassend genoeg lijkt die fotosynthetische innovatie bij toeval te zijn geëvolueerd uit een membraaneiwit dat oorspronkelijk werd gebruikt voor de vertering in de voorouder van het fytoplankton. Naast het verklaren van de bekwaamheid van de cellen bij fotosynthese, helpt het nieuwe werk om de theorie te bevestigen dat dat fytoplankton is ontstaan ​​​​door een symbiotische alliantie tussen een protozoa en een veerkrachtige groene alg.

"Ik vind het verbluffend dat een protonenenzym dat we al zoveel decennia kennen, verantwoordelijk is voor het in stand houden van zo'n cruciaal fenomeen op aarde", zei hij. Dennis bruin, een celbioloog aan de Harvard Medical School die de functies van membraaneiwitten bestudeert en niet bij het onderzoek betrokken was.

Onderzoekers wisten dat bepaalde klassen van fytoplankton - diatomeeën, dinoflagellaten en coccolithoforen - opvallen door hun uitzonderlijke fotosynthetische vermogens. Die cellen zijn buitengewoon bedreven in het absorberen van koolstofdioxide uit hun omgeving en het naar hun chloroplasten leiden voor fotosynthese, maar de details van waarom ze er zo goed in zijn, waren niet erg duidelijk. Een uniek kenmerk van deze drie groepen fytoplankton is echter dat ze een extra membraan rond hun bladgroenkorrels hebben.

Zeven jaar geleden, de microbioloog Daniël Jee, de hoofdauteur van de nieuwe studie, bestudeerde diatomeeën voor zijn doctoraat aan de Scripps Institution of Oceanography aan de University of California, San Diego. Fotosynthese was niet zijn focus; hij probeerde te begrijpen hoe diatomeeën hun interne zuurgraad reguleren om te helpen bij de opslag van voedingsstoffen en om hun taaie silicacelwand op te bouwen. Maar hij bleef het unieke extra membraan rond hun chloroplasten opmerken.

Hij ontdekte dat het extra membraan door onderzoekers algemeen werd beschouwd als een overblijfsel van een oude, mislukte spijsvertering. Wetenschappers veronderstelden dat ongeveer 200 miljoen jaar geleden een roofzuchtige protozoa probeerde te smullen van een eencellige fotosynthetische alg. Het omhulde de veerkrachtige alg in een membraanstructuur, een voedselvacuole genaamd, om het te verteren, maar om onbekende redenen vond er geen vertering plaats. In plaats daarvan overleefde de alg en werd een symbiotische partner van de protozoa, die hem de vruchten van zijn fotosynthese voedde. Dit partnerschap verdiepte zich in de loop van de generaties totdat het nieuwe twee-in-één-organisme evolueerde tot de diatomeeën die we vandaag kennen. Maar de extra membraanlaag die een voedselvacuole was geweest, is nooit verdwenen.

In de late 1990s, sommige wetenschappers veronderstelden dat de voormalige voedselvacuole waarschijnlijk nog steeds een transmembraankanaaleiwit droeg, een protonenpomp genaamd. Protonpompen zijn zeer veelzijdige moleculen die kunnen worden gespecialiseerd voor diverse taken in organismen, van de spijsvertering tot het reguleren van de zuurgraad van het bloed tot het helpen van neuronen bij het verzenden van signalen, legde de microbioloog uit. Martin Tresguerres, de senior co-auteur van de nieuwe studie en Yee's voormalige adviseur bij UCSD. Bij zoogdieren kan één type protonpomp zeer corrosieve zure omstandigheden creëren in botgebieden om hun gemineraliseerde structuur af te breken en ze na verloop van tijd op te lossen.

Yee ontdekte dat dezelfde protonenpomp ook diatomeeën helpt om hun taaie silica-omhulsel te maken. Maar gezien de veelzijdigheid van de protonpomp en zijn directe associatie met de chloroplast, was hij ervan overtuigd dat hij nog meer deed.

Met behulp van een combinatie van moleculair biologische technieken bevestigden Yee en zijn team dat het extra membraan rond de fytoplankton-chloroplast een actieve, functionele protonenpomp bevat - een pomp genaamd VHA die vaak een spijsverteringsrol vervult in voedselvacuolen. Ze hebben zelfs de protonpomp gefuseerd met een fluorescerend eiwit, zodat ze het in realtime konden zien werken. Hun waarnemingen ondersteunden de endosymbiotische theorie van hoe de diatomeeën het extra membraan rond hun chloroplasten kregen.

Yee, Tresguerres en hun collega's waren ook benieuwd hoe de protonpomp de fotosynthetische activiteit van de chloroplast zou kunnen beïnvloeden. Om daar achter te komen, gebruikten ze een remmend medicijn, concanamycine A, om de werking van de protonpomp te stoppen terwijl ze controleerden hoeveel het fytoplankton koolstof bleef opnemen in carbonaten en zuurstof produceerde. Ze ontdekten dat remming van de protonpomp zowel de koolstoffixatie als de zuurstofproductie in de cellen aanzienlijk verminderde.

Verder werk hielp hen te begrijpen dat de pomp de fotosynthese verbeterde door koolstof in de buurt van chloroplasten te concentreren. De pomp verplaatste protonen van het cytoplasma naar het compartiment tussen het extra membraan en de chloroplast. De verhoogde zuurgraad in het compartiment zorgde ervoor dat er meer koolstof (in de vorm van bicarbonaationen) in het compartiment diffundeerde om het te neutraliseren. Enzymen zetten het bicarbonaat weer om in kooldioxide, dat zich toen handig in de buurt van de koolstofbindende enzymen van de chloroplast bevond.

Met behulp van statistieken over de verdeling van de diatomeeën en ander fytoplankton met het extra membraan over de wereldoceaan, extrapoleerden de onderzoekers dat deze toename in efficiëntie van het VHA-membraaneiwit goed is voor bijna 12% van de zuurstof in de atmosfeer op aarde. Het draagt ​​ook tussen 7% en 25% bij van alle oceanische koolstof die elk jaar wordt vastgelegd. Dat is minstens 3.5 miljard ton koolstof - bijna vier keer zoveel als de wereldwijde luchtvaartindustrie jaarlijks uitstoot. Aan de hoge kant van de schatting van de onderzoekers zou VHA verantwoordelijk kunnen zijn voor het vastleggen van maar liefst 13.5 miljard ton koolstof per jaar.

Wetenschappers kunnen deze factor nu toevoegen aan andere overwegingen bij het inschatten van de effecten van klimaatverandering op hoe snel koolstofdioxide uit de atmosfeer wordt gefixeerd in organische moleculen, wat bepaalt hoe snel de planeet zal blijven opwarmen. Het heeft ook betrekking op discussies over de vraag of veranderingen in de zuurgraad van de oceaan een directe invloed zullen hebben op de snelheid van koolstoffixatie en zuurstofproductie. Yee zei dat wetenschappers zich ook kunnen afvragen of biotechnologische oplossingen op basis van het nieuw ontdekte mechanisme het proces van koolstofvastlegging kunnen verbeteren om de klimaatverandering te beperken.

Ja, wie is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Cel- en Plantenfysiologisch Laboratorium van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Grenoble, is er trots op dat zijn team een ​​nieuw mechanisme heeft kunnen bieden voor hoe fotosynthese plaatsvindt in zo'n ecologisch belangrijke levensvorm.

"Maar we realiseren ons ook," zei hij, "dat hoe meer we leren, hoe minder we weten."