Микробы получили сверхспособности к фотосинтезу благодаря «протонному насосу» | Журнал Кванта

Густой тропический лес или другая зеленая наземная растительность могут быть тем, что первым приходит на ум при упоминании о фотосинтезе. Тем не менее, облака фитопланктона, заполняющие океаны, являются основными движущими силами этого процесса в природе. Растительноподобные одноклеточные водные микробы производят более 50% кислорода в атмосфере и поглощают почти половину углекислого газа, превращая его в глюкозу, жиры, белки и другие органические молекулы, которые питают пищевую сеть океанов. .

A Недавно опубликованное исследование in Current Biology Наконец, удалось установить источник этой беспрецедентной эффективности фотосинтеза, которая долгое время сбивала с толку ученых. Новое исследование показало, что некоторые виды фитопланктона оснащены дополнительной внутренней мембраной, несущей фермент «протонный насос», который увеличивает их способность превращать углекислый газ в другие вещества. Улучшения, связанные с этой единственной модификацией белка, по-видимому, способствуют производству почти 12% кислорода в воздухе и целых 25% всего углерода, «связанного» (заключенного в органические соединения) в океане.

Удивительно, но эта фотосинтетическая инновация, по-видимому, случайно развилась из мембранного белка, который первоначально использовался для пищеварения у предка фитопланктона. В дополнение к объяснению мастерства клеток в фотосинтезе, новая работа помогает подтвердить теорию о том, что этот фитопланктон возник в результате симбиотического союза между простейшими и устойчивыми зелеными водорослями.

«Я нахожу ошеломляющим, что протонный фермент, известный нам уже столько десятилетий, отвечает за поддержание такого важного явления на Земле», — сказал он. Dennis Brown, клеточный биолог из Гарвардской медицинской школы, изучающий функции мембранных белков и не участвовавший в исследовании.

Исследователям было известно, что некоторые классы фитопланктона — диатомеи, динофлагелляты и кокколитофориды — выделяются своими исключительными способностями к фотосинтезу. Эти клетки очень хорошо поглощают углекислый газ из окружающей среды и направляют его в свои хлоропласты для фотосинтеза, но подробности того, почему они так хороши в этом, не очень ясны. Однако особенность, уникальная для этих трех групп фитопланктона, заключается в том, что у них есть дополнительная мембрана вокруг хлоропластов.

Семь лет назад микробиолог Дэниел Йи, ведущий автор нового исследования, изучал диатомовые водоросли для своей докторской диссертации в Океанографическом институте Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего. Фотосинтез не был его целью; он стремился понять, как диатомовые водоросли регулируют свою внутреннюю кислотность, чтобы помочь в хранении питательных веществ и построить прочную клеточную стенку из кремнезема. Но он продолжал замечать уникальную дополнительную мембрану вокруг их хлоропластов.

Он узнал, что исследователи считали дополнительную мембрану остатком древнего, неудавшегося процесса пищеварения. Ученые выдвинули гипотезу, что около 200 миллионов лет назад хищное простейшее пыталось полакомиться одноклеточной фотосинтезирующей водорослью. Он окутал устойчивую водоросль мембранной структурой, называемой пищевой вакуолью, чтобы переварить ее, но по неизвестным причинам пищеварения не произошло. Вместо этого водоросль выжила и стала симбиотическим партнером простейших, кормя их плодами фотосинтеза. Это партнерство углублялось на протяжении поколений, пока новый организм «два в одном» не превратился в диатомовые водоросли, которые мы знаем сегодня. Но дополнительный слой мембраны, который раньше был пищевой вакуолью, никогда не исчезал.

В конце 1990-х годов некоторые ученые предположили что бывшая пищевая вакуоль, вероятно, все еще несет белок трансмембранного канала, называемый протонным насосом. По словам микробиолога, протонные помпы — это очень универсальные молекулы, которые могут быть специализированы для выполнения различных задач в организме, от пищеварения до регулирования кислотности крови и помощи нейронам в отправке сигналов. Мартин Тресгеррес, старший соавтор нового исследования и бывший советник Йи в UCSD. У млекопитающих один тип протонного насоса может создавать сильно разъедающие кислотные условия в областях костей, чтобы разрушить их минерализованную структуру и растворить их с течением времени.

Йи обнаружил, что тот же самый протонный насос помогает диатомовым водорослям формировать прочную оболочку из кремнезема. Но, учитывая универсальность протонного насоса и его непосредственную связь с хлоропластом, он был убежден, что он делает еще больше.

Используя комбинацию методов молекулярной биологии, Йи и его команда подтвердили, что дополнительная мембрана вокруг хлоропластов фитопланктона действительно содержит активный, функциональный протонный насос, называемый VHA, который часто выполняет пищеварительную роль в пищевых вакуолях. Они даже соединили протонный насос с флуоресцентным белком, чтобы наблюдать за его работой в режиме реального времени. Их наблюдения подтвердили эндосимбиотическую теорию о том, как диатомеи приобрели дополнительную мембрану вокруг своих хлоропластов.

Йи, Тресгеррес и их коллеги также интересовались, как протонный насос может влиять на фотосинтетическую активность хлоропластов. Чтобы выяснить это, они использовали ингибирующий препарат конканамицин А, чтобы остановить работу протонного насоса, пока они следили за тем, насколько фитопланктон продолжает включать углерод в карбонаты и производить кислород. Они обнаружили, что ингибирование протонной помпы значительно снижает как фиксацию углерода, так и выработку кислорода в клетках.

Дальнейшая работа помогла им понять, что насос усиливает фотосинтез за счет концентрации углерода вблизи хлоропластов. Насос перекачивал протоны из цитоплазмы в компартмент между экстрамембраной и хлоропластом. Повышенная кислотность в компартменте вызвала диффузию большего количества углерода (в форме ионов бикарбоната) в компартмент для его нейтрализации. Ферменты превращали бикарбонат обратно в углекислый газ, который затем находился рядом с ферментами хлоропластов, фиксирующими углерод.

Используя статистику распределения диатомовых водорослей и другого фитопланктона с дополнительной мембраной по всему мировому океану, исследователи экстраполировали, что это повышение эффективности мембранного белка VHA составляет почти 12% атмосферного кислорода Земли. Он также обеспечивает от 7% до 25% всего ежегодно фиксируемого океанического углерода. Это как минимум 3.5 миллиарда тонн углерода — почти в четыре раза больше, чем ежегодно выбрасывает мировая авиационная промышленность. По высшей оценке исследователей, VHA может нести ответственность за связывание до 13.5 миллиардов тонн углерода в год.

Теперь ученые могут добавить этот фактор к другим соображениям при оценке влияния изменения климата на то, насколько быстро атмосферный углекислый газ фиксируется в органические молекулы, что определяет, как быстро планета будет продолжать нагреваться. Это также имеет отношение к дискуссиям о том, окажут ли изменения кислотности океана прямое влияние на скорость фиксации углерода и производство кислорода. Йи сказал, что ученые также могут начать задаваться вопросом, могут ли биотехнологические решения, основанные на недавно открытом механизме, усилить процесс секвестрации углерода, чтобы ограничить изменение климата.

Да кто сейчас постдокторант из Лаборатории физиологии клеток и растений Французского национального центра научных исследований в Гренобле гордится тем, что его команда смогла разработать новый механизм фотосинтеза у такой экологически важной формы жизни.

«Но мы также понимаем, — сказал он, — что чем больше мы учимся, тем меньше мы знаем».