Mikrober fikk fotosyntese-superkrefter fra en "protonpumpe" | Quanta Magazine

En tett regnskog eller annen frodig terrestrisk vegetasjon kan være det som først kommer til tankene ved omtale av fotosyntese. Likevel er skyene av planteplankton som fyller havene de viktigste driverne for denne prosessen i naturen. De plantelignende encellede akvatiske mikrobene genererer mer enn 50 % av oksygenet i atmosfæren, og de absorberer nesten halvparten av karbondioksidet, og omdanner det til glukose, fett, proteiner og andre organiske molekyler som nærer næringsnettet i havene. .

A nylig publisert studie in Current Biology finner til slutt kilden til denne enestående fotosyntetiske effektiviteten, som lenge har forvirret forskere. Den nye forskningen fant at noen planteplankton er utstyrt med en ekstra intern membran som bærer et "protonpumpe"-enzym som overlader deres evne til å omdanne karbondioksid til andre stoffer. Forbedringene på grunn av denne ene proteinmodifikasjonen ser ut til å bidra til produksjonen av nesten 12 % av oksygenet i luften og så mye som 25 % av alt karbonet "fiksert" (låst i organiske forbindelser) i havet.

Overraskende nok ser den fotosyntetiske innovasjonen ut til å ha utviklet seg ved en tilfeldighet fra et membranprotein som opprinnelig ble brukt til fordøyelsen i planteplanktonets stamfar. I tillegg til å forklare cellenes dyktighet til fotosyntese, hjelper det nye arbeidet med å bekrefte teorien om at disse planteplanktonene oppsto gjennom en symbiotisk allianse mellom en protozo og en spenstig grønnalge.

"Jeg synes det er svimlende at et protonenzym som vi har kjent i så mange tiår er ansvarlig for å opprettholde et så avgjørende fenomen på jorden," sa Dennis Brown, en cellebiolog ved Harvard Medical School som studerer funksjonene til membranproteiner og ikke var involvert i studien.

Forskere visste at visse klasser av planteplankton - kiselalger, dinoflagellater og kokolitoforer - skiller seg ut for sine eksepsjonelle fotosyntetiske evner. Disse cellene er ekstremt dyktige til å absorbere karbondioksid fra miljøet og lede det til kloroplastene deres for fotosyntese, men detaljene om hvorfor de er så gode på det har ikke vært veldig klare. En egenskap som er unik for disse tre gruppene av planteplankton, er imidlertid at de har en ekstra membran rundt kloroplastene.

For syv år siden, mikrobiologen Daniel Yee, hovedforfatteren på den nye studien, studerte kiselalger for sin doktorgrad ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California, San Diego. Fotosyntese var ikke hans fokus; han søkte å forstå hvordan kiselalger regulerer deres indre surhet for å hjelpe til med lagring av næringsstoffer og for å bygge deres tøffe silikacellevegg. Men han la stadig merke til den unike tilleggsmembranen rundt kloroplastene deres.

Han lærte at den ekstra membranen ble ansett av forskere som en rest av en eldgammel, mislykket fordøyelseshandling. Forskere antok at for rundt 200 millioner år siden prøvde en rovdyrprotozo å feste seg med en encellet fotosyntetisk alge. Den omsluttet den spenstige algen i en membranstruktur kalt en matvakuole for å fordøye den, men av ukjente årsaker skjedde ikke fordøyelsen. I stedet overlevde algen og ble en symbiotisk partner til protozoen, og matet den med fruktene av fotosyntesen. Dette partnerskapet ble utdypet gjennom generasjonene til den nye to-i-ett-organismen utviklet seg til kiselalgene vi kjenner i dag. Men det ekstra laget med membran som hadde vært en matvakuole forsvant aldri.

På slutten av 1990-tallet noen forskere antok at den tidligere matvakuolen fortsatt sannsynligvis bærer et transmembrankanalprotein kalt en protonpumpe. Protonpumper er svært allsidige molekyler som kan spesialiseres for ulike oppgaver i organismer, fra fordøyelse til å regulere blodets surhet til å hjelpe nevroner med å sende signaler, forklarte mikrobiologen Martin Tresguerres, senior medforfatter av den nye studien og Yees tidligere rådgiver ved UCSD. Hos pattedyr kan en type protonpumpe skape svært etsende sure forhold innenfor områder med bein for å bryte ned deres mineraliserte struktur og løse dem opp over tid.

Yee fant ut at den samme protonpumpen også hjelper kiselalger med å lage sitt tøffe silikaskall. Men med tanke på allsidigheten til protonpumpen og dens direkte assosiasjon med kloroplasten, var han overbevist om at den gjorde enda mer.

Ved å bruke en kombinasjon av molekylærbiologiske teknikker, bekreftet Yee og teamet hans at den ekstra membranen rundt planteplanktonkloroplasten inneholder en aktiv, funksjonell protonpumpe - en kalt VHA som ofte tjener en fordøyelsesrolle i matvakuoler. De smeltet til og med protonpumpen til et fluorescerende protein slik at de kunne se det fungere i sanntid. Observasjonene deres støttet den endosymbiotiske teorien om hvordan kiselalgene skaffet seg den ekstra membranen rundt kloroplastene deres.

Yee, Tresguerres og deres kolleger var også nysgjerrige på hvordan protonpumpen kunne påvirke den fotosyntetiske aktiviteten til kloroplasten. For å finne det ut brukte de et hemmende medikament, concanamycin A, for å stoppe driften av protonpumpen mens de overvåket hvor mye planteplanktonet fortsatte å inkorporere karbon i karbonater og produsere oksygen. De fant at hemming av protonpumpen reduserte både karbonfiksering og oksygenproduksjon i cellene betydelig.

Ytterligere arbeid hjalp dem å forstå at pumpen forbedret fotosyntesen ved å konsentrere karbon i nærheten av kloroplaster. Pumpen overførte protoner fra cytoplasmaet til rommet mellom den ekstra membranen og kloroplasten. Den økte surheten i rommet førte til at mer karbon (i form av bikarbonationer) diffunderte inn i rommet for å nøytralisere det. Enzymer konverterte bikarbonatet tilbake til karbondioksid, som da var praktisk i nærheten av kloroplastens karbonfikserende enzymer.

Ved å bruke statistikk over fordelingen av kiselalger og annet planteplankton med den ekstra membranen gjennom hele det globale havet, ekstrapolerte forskerne at denne økningen i effektivitet fra VHA-membranproteinet utgjør nesten 12 % av jordens atmosfæriske oksygen. Den bidrar også med mellom 7 % og 25 % av alt havkarbon som bindes hvert år. Det er minst 3.5 milliarder tonn karbon – nesten fire ganger så mye som den globale luftfartsindustrien slipper ut årlig. I den høye enden av forskernes estimat kan VHA være ansvarlig for å binde opp så mye som 13.5 milliarder tonn karbon i året.

Forskere kan nå legge denne faktoren til andre hensyn når de estimerer effekten av klimaendringer på hvor raskt atmosfærisk karbondioksid bindes til organiske molekyler, noe som dikterer hvor raskt planeten vil fortsette å varmes opp. Det har også betydning for diskusjoner om hvorvidt endringer i havets surhet vil ha en direkte innvirkning på hastigheten på karbonfiksering og oksygenproduksjon. Yee sa at forskere også kan begynne å spørre om bioteknologiske løsninger basert på den nyoppdagede mekanismen kan forbedre prosessen med karbonbinding for å begrense klimaendringene.

Jaja, hvem er det nå en postdoktor ved celle- og plantefysiologi-laboratoriet ved det franske nasjonale senteret for vitenskapelig forskning i Grenoble, er stolte over at teamet hans var i stand til å gi en ny mekanisme for hvordan fotosyntese skjer i en så økologisk viktig livsform.

"Men vi innser også," sa han, "at jo mer vi lærer, jo mindre vet vi."