Mikrober fick fotosyntes superkrafter från en "protonpump" | Quanta Magazine

En tät regnskog eller annan grönskande markvegetation kan vara det som först kommer att tänka på när man nämner fotosyntesen. Ändå är molnen av växtplankton som fyller haven de viktigaste drivkrafterna för den processen i naturen. De växtliknande encelliga vattenlevande mikroberna genererar mer än 50 % av syret i atmosfären, och de absorberar nästan hälften av koldioxiden och omvandlar den till glukos, fetter, proteiner och andra organiska molekyler som ger näring åt havens näringsväv. .

A nyligen publicerad studie in Current Biology äntligen fastställer källan till denna oöverträffade fotosyntetiska effektivitet, som länge har förbryllat forskare. Den nya forskningen fann att en del växtplankton är utrustade med ett extra inre membran som bär ett "protonpump"-enzym som överladdar deras förmåga att omvandla koldioxid till andra ämnen. Förbättringarna på grund av denna ena proteinmodifiering verkar bidra till produktionen av nästan 12% av syret i luften och så mycket som 25% av allt kol "fixerat" (låst i organiska föreningar) i havet.

Överraskande nog verkar den fotosyntetiska innovationen ha utvecklats av en slump från ett membranprotein som ursprungligen användes för matsmältning i fytoplanktonets förfader. Förutom att förklara cellernas förmåga att fotosyntes, hjälper det nya arbetet till att bekräfta teorin att dessa växtplankton uppstod genom en symbiotisk allians mellan en protozo och en motståndskraftig grönalg.

"Jag tycker att det är häpnadsväckande att ett protonenzym som vi har känt i så många decennier är ansvarigt för att upprätthålla ett så avgörande fenomen på jorden," sa Dennis Brown, en cellbiolog vid Harvard Medical School som studerar funktionerna hos membranproteiner och som inte var involverad i studien.

Forskare visste att vissa klasser av växtplankton - kiselalger, dinoflagellater och kokolitoforer - sticker ut för sina exceptionella fotosyntetiska förmågor. Dessa celler är extremt skickliga på att absorbera koldioxid från sin miljö och styra den till sina kloroplaster för fotosyntes, men detaljerna om varför de är så bra på det har inte varit särskilt tydliga. En egenskap som är unik för dessa tre grupper av växtplankton är dock att de har ett extra membran runt sina kloroplaster.

För sju år sedan, mikrobiologen Daniel Yee, huvudförfattaren på den nya studien, studerade kiselalger för sin doktorsexamen vid Scripps Institution of Oceanography vid University of California, San Diego. Fotosyntesen var inte hans fokus; han försökte förstå hur kiselalger reglerar sin inre surhet för att hjälpa till med lagring av näringsämnen och för att bygga sin tuffa kiselcellvägg. Men han märkte hela tiden det unika extra membranet runt deras kloroplaster.

Han fick reda på att det extra membranet allmänt betraktades av forskare som en rest av en gammal, misslyckad matsmältningshandling. Forskare antog att för cirka 200 miljoner år sedan försökte en rovdjursprotozo frossa på en encellig fotosyntetisk alg. Den omslöt den motståndskraftiga algen i en membranstruktur som kallas en matvakuol för att smälta den, men av okända anledningar inträffade inte matsmältningen. Istället överlevde algen och blev en symbiotisk partner till protozoen och matade den med frukterna av dess fotosyntes. Detta partnerskap fördjupades under generationerna tills den nya två-i-ett-organismen utvecklades till de kiselalger vi känner idag. Men det extra lagret av membran som hade varit en matvakuol försvann aldrig.

I slutet av 1990-talet vissa forskare antog att den tidigare matvakuolen fortfarande sannolikt bär på ett transmembrankanalprotein som kallas en protonpump. Protonpumpar är mycket mångsidiga molekyler som kan specialiseras för olika uppgifter i organismer, från matsmältning till att reglera blodets surhet till att hjälpa neuroner att skicka signaler, förklarade mikrobiologen Martin Tresguerres, senior medförfattare till den nya studien och Yees tidigare rådgivare vid UCSD. Hos däggdjur kan en typ av protonpump skapa mycket frätande sura förhållanden inom områden med ben för att bryta ner deras mineraliserade struktur och lösa upp dem med tiden.

Yee fann att samma protonpump också hjälper kiselalger att göra sitt tuffa kiseldioxidskal. Men med tanke på protonpumpens mångsidighet och dess direkta koppling till kloroplasten var han övertygad om att den gjorde ännu mer.

Med hjälp av en kombination av molekylärbiologiska tekniker bekräftade Yee och hans team att det extra membranet runt växtplanktonkloroplasten innehåller en aktiv, funktionell protonpump - en som kallas VHA som ofta har en matsmältningsroll i matvakuoler. De fusionerade till och med protonpumpen till ett fluorescerande protein så att de kunde se det fungera i realtid. Deras observationer stödde den endosymbiotiska teorin om hur kiselalgerna förvärvade det extra membranet runt sina kloroplaster.

Yee, Tresguerres och deras kollegor var också nyfikna på hur protonpumpen kan påverka kloroplastens fotosyntetiska aktivitet. För att ta reda på det använde de ett hämmande läkemedel, concanamycin A, för att stoppa driften av protonpumpen samtidigt som de övervakade hur mycket växtplanktonet fortsatte att införliva kol i karbonater och producera syre. De fann att hämning av protonpumpen avsevärt minskade både kolfixering och syreproduktion i cellerna.

Ytterligare arbete hjälpte dem att förstå att pumpen förbättrade fotosyntesen genom att koncentrera kol nära kloroplaster. Pumpen överförde protoner från cytoplasman till utrymmet mellan det extra membranet och kloroplasten. Den ökade surheten i avdelningen gjorde att mer kol (i form av bikarbonatjoner) diffunderade in i avdelningen för att neutralisera det. Enzymer omvandlade bikarbonatet tillbaka till koldioxid, som då bekvämt låg nära kloroplastens kolfixerande enzymer.

Med hjälp av statistik om fördelningen av kiselalger och annat växtplankton med det extra membranet i hela det globala havet, extrapolerade forskarna att denna ökning av effektiviteten från VHA-membranproteinet står för nästan 12 % av jordens atmosfäriska syre. Den bidrar också med mellan 7 % och 25 % av allt kol från havet som fixeras varje år. Det är minst 3.5 miljarder ton kol – nästan fyra gånger så mycket som den globala flygindustrin släpper ut årligen. I den höga delen av forskarnas uppskattning kan VHA vara ansvarig för att binda upp så mycket som 13.5 miljarder ton kol per år.

Forskare kan nu lägga till denna faktor till andra överväganden när de uppskattar effekterna av klimatförändringar på hur snabbt atmosfärisk koldioxid fixeras i organiska molekyler, vilket dikterar hur snabbt planeten kommer att fortsätta att värmas upp. Det har också betydelse för diskussioner om huruvida förändringar i havets surhet kommer att ha en direkt inverkan på hastigheten för kolfixering och syreproduktion. Yee sa att forskare också kan börja fråga om biotekniska lösningar baserade på den nyupptäckta mekanismen skulle kunna förbättra processen för kolbindning för att begränsa klimatförändringarna.

Yee, vem är det nu en postdoktor vid cell- och växtfysiologiska laboratoriet vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning i Grenoble, är stolt över att hans team kunde tillhandahålla en ny mekanism för hur fotosyntes sker i en så ekologiskt viktig livsform.

"Men vi inser också," sa han, "att ju mer vi lär oss, desto mindre vet vi."