จุลินทรีย์ได้รับพลังพิเศษในการสังเคราะห์ด้วยแสงจาก 'ปั๊มโปรตอน' | นิตยสารควอนตั้ม

ป่าฝนที่หนาแน่นหรือพืชบนบกที่เขียวขจีอื่นๆ อาจเป็นสิ่งแรกที่นึกถึงเมื่อพูดถึงการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่เมฆของแพลงตอนพืชที่ปกคลุมมหาสมุทรเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของกระบวนการดังกล่าวในธรรมชาติ จุลินทรีย์ในน้ำเซลล์เดียวที่มีลักษณะคล้ายพืชสร้างออกซิเจนมากกว่า 50% ในชั้นบรรยากาศ และพวกมันดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์เกือบครึ่งหนึ่ง เปลี่ยนเป็นกลูโคส ไขมัน โปรตีน และโมเลกุลอินทรีย์อื่นๆ ที่หล่อเลี้ยงสายใยอาหารของมหาสมุทร .

A ศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ in ชีววิทยาปัจจุบัน ในที่สุดก็สามารถระบุแหล่งที่มาของประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่ไม่มีใครเทียบได้ ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์งุนงงมานาน งานวิจัยชิ้นใหม่พบว่าแพลงก์ตอนพืชบางชนิดมีเยื่อหุ้มภายในพิเศษซึ่งมีเอนไซม์ "โปรตอนปั๊ม" ซึ่งเพิ่มความสามารถในการเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารอื่น ๆ การปรับปรุงเนื่องจากการดัดแปลงโปรตีนนี้ดูเหมือนจะมีส่วนช่วยในการผลิตออกซิเจนเกือบ 12% ในอากาศและมากถึง 25% ของคาร์บอนที่ "คงที่" (ถูกขังอยู่ในสารประกอบอินทรีย์) ในมหาสมุทร

น่าแปลกที่นวัตกรรมการสังเคราะห์แสงดูเหมือนว่าจะพัฒนาโดยบังเอิญจากโปรตีนเมมเบรนซึ่งแต่เดิมใช้สำหรับการย่อยในบรรพบุรุษของแพลงก์ตอนพืช นอกเหนือจากการอธิบายความสามารถในการสังเคราะห์แสงของเซลล์แล้ว งานใหม่ยังช่วยยืนยันทฤษฎีที่ว่าแพลงก์ตอนพืชเหล่านี้เกิดขึ้นจากพันธมิตรทางชีวภาพระหว่างโปรโตซัวและสาหร่ายสีเขียวที่คืนตัวได้

“ฉันพบว่ามันน่าทึ่งที่เอนไซม์โปรตอนที่เรารู้จักกันมานานหลายทศวรรษมีหน้าที่รับผิดชอบในการรักษาปรากฏการณ์ที่สำคัญเช่นนี้บนโลก” กล่าว เดนนิสบราวน์นักชีววิทยาด้านเซลล์แห่ง Harvard Medical School ซึ่งศึกษาการทำงานของโปรตีนเมมเบรนและไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้

นักวิจัยรู้ว่าแพลงก์ตอนพืชบางประเภท เช่น ไดอะตอม ไดโนแฟลเจลเลต และค็อกโคลิโธฟอร์ มีความโดดเด่นในด้านความสามารถในการสังเคราะห์แสงที่ยอดเยี่ยม เซลล์เหล่านี้มีความเชี่ยวชาญอย่างมากในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากสิ่งแวดล้อมและนำมันไปยังคลอโรพลาสต์เพื่อสังเคราะห์แสง แต่รายละเอียดว่าทำไมพวกมันถึงเก่งในเรื่องนี้ยังไม่ชัดเจนนัก คุณลักษณะเฉพาะของแพลงก์ตอนพืชทั้งสามกลุ่มนี้คือมีเยื่อหุ้มพิเศษรอบคลอโรพลาสต์

เมื่อเจ็ดปีก่อน นักจุลชีววิทยา แดเนียล ยีผู้เขียนนำในการศึกษาครั้งใหม่กำลังศึกษาไดอะตอมสำหรับปริญญาเอกของเขาที่สถาบันสมุทรศาสตร์สคริปป์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ใช่จุดสนใจของเขา เขาพยายามทำความเข้าใจว่าไดอะตอมควบคุมความเป็นกรดภายในอย่างไร เพื่อช่วยในการกักเก็บสารอาหารและสร้างผนังเซลล์ซิลิกาที่แข็งแรง แต่เขายังคงสังเกตเห็นเยื่อหุ้มพิเศษเพิ่มเติมรอบๆ คลอโรพลาสต์ของพวกมัน

เขาได้เรียนรู้ว่าเยื่อส่วนเกินนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางจากนักวิจัยว่าเป็นเศษซากของการย่อยอาหารที่ล้มเหลวในสมัยโบราณ นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าเมื่อประมาณ 200 ล้านปีก่อน โปรโตซัวที่กินสัตว์อื่นพยายามกินสาหร่ายสังเคราะห์แสงเซลล์เดียว มันห่อหุ้มสาหร่ายที่ยืดหยุ่นได้ในโครงสร้างเมมเบรนที่เรียกว่าฟูดแวคิวโอลเพื่อย่อยมัน แต่โดยไม่ทราบสาเหตุ การย่อยอาหารไม่เกิดขึ้น ในทางกลับกัน สาหร่ายกลับรอดชีวิตและกลายเป็นพันธมิตรทางชีวภาพของโปรโตซัว ให้อาหารแก่มันจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ความร่วมมือนี้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นจากหลายชั่วอายุคนจนกระทั่งสิ่งมีชีวิตสองในหนึ่งชนิดใหม่ได้พัฒนาเป็นไดอะตอมที่เรารู้จักในปัจจุบัน แต่เยื่อชั้นพิเศษที่เคยเป็น food vacuole ไม่เคยหายไปเลย

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 นักวิทยาศาสตร์บางคนตั้งสมมติฐาน ว่าแวคิวโอลอาหารเดิมยังคงมีแนวโน้มที่จะมีโปรตีนช่องสัญญาณเมมเบรนที่เรียกว่าปั๊มโปรตอน ปั๊มโปรตอนเป็นโมเลกุลที่มีความสามารถรอบด้านสูง ซึ่งสามารถใช้เฉพาะสำหรับงานต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต ตั้งแต่การย่อยอาหารไปจนถึงการควบคุมความเป็นกรดของเลือด ไปจนถึงการช่วยเซลล์ประสาทในการส่งสัญญาณ นักจุลชีววิทยาอธิบาย มาร์ติน เทรสเกอเรสผู้เขียนร่วมอาวุโสของการศึกษาใหม่และอดีตที่ปรึกษาของ Yee ที่ UCSD ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เครื่องปั๊มโปรตอนประเภทหนึ่งสามารถสร้างสภาพกรดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงภายในบริเวณกระดูกเพื่อทำลายโครงสร้างที่เป็นแร่ธาตุของพวกมันและสลายไปตามกาลเวลา

Yee พบว่าปั๊มโปรตอนเดียวกันนี้ยังช่วยให้ไดอะตอมสร้างเปลือกซิลิกาที่แข็งได้ แต่เมื่อพิจารณาถึงความสามารถรอบด้านของปั๊มโปรตอนและความสัมพันธ์โดยตรงกับคลอโรพลาสต์ เขาเชื่อมั่นว่ามันทำได้มากกว่านั้น

Yee และทีมของเขาใช้เทคนิคทางอณูชีววิทยาผสมผสานกันยืนยันว่าเยื่อหุ้มพิเศษรอบคลอโรพลาสต์แพลงก์ตอนพืชมีปั๊มโปรตอนที่ใช้งานอยู่ ซึ่งเรียกว่า VHA ซึ่งมักทำหน้าที่ย่อยอาหารในแวคิวโอลอาหาร พวกเขายังหลอมรวมปั๊มโปรตอนเข้ากับโปรตีนเรืองแสงเพื่อให้สามารถดูการทำงานได้แบบเรียลไทม์ การสังเกตของพวกเขาสนับสนุนทฤษฎี endosymbiotic ว่าไดอะตอมได้รับเยื่อหุ้มพิเศษรอบ ๆ คลอโรพลาสต์ได้อย่างไร

Yee, Tresguerres และเพื่อนร่วมงานของพวกเขายังสงสัยว่าปั๊มโปรตอนอาจส่งผลต่อกิจกรรมการสังเคราะห์แสงของคลอโรพลาสต์ได้อย่างไร เพื่อหาคำตอบ พวกเขาใช้ยายับยั้ง concanamycin A เพื่อหยุดการทำงานของปั๊มโปรตอน ในขณะที่พวกเขาเฝ้าติดตามปริมาณแพลงตอนพืชที่ยังคงรวมคาร์บอนเข้ากับคาร์บอเนตและผลิตออกซิเจน พวกเขาพบว่าการยับยั้งปั๊มโปรตอนลดทั้งการตรึงคาร์บอนและการผลิตออกซิเจนในเซลล์ลงอย่างมาก

การทำงานเพิ่มเติมช่วยให้พวกเขาเข้าใจว่าปั๊มปรับปรุงการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยการทำให้คาร์บอนเข้มข้นใกล้กับคลอโรพลาสต์ ปั๊มส่งโปรตอนจากไซโตพลาสซึมไปยังช่องระหว่างเยื่อหุ้มเสริมและคลอโรพลาสต์ ความเป็นกรดที่เพิ่มขึ้นในช่องทำให้คาร์บอนมากขึ้น (ในรูปของไบคาร์บอเนตไอออน) กระจายเข้าไปในช่องเพื่อทำให้เป็นกลาง เอนไซม์เปลี่ยนไบคาร์บอเนตกลับเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งสะดวกต่อใกล้กับเอ็นไซม์ตรึงคาร์บอนของคลอโรพลาสต์

นักวิจัยใช้สถิติการกระจายตัวของไดอะตอมและแพลงก์ตอนพืชอื่นๆ ที่มีเยื่อหุ้มพิเศษทั่วทั้งมหาสมุทรทั่วโลก นักวิจัยคาดการณ์ว่าการเพิ่มประสิทธิภาพจากโปรตีนเมมเบรน VHA คิดเป็นเกือบ 12% ของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศของโลก นอกจากนี้ยังมีส่วนระหว่าง 7% ถึง 25% ของคาร์บอนในมหาสมุทรคงที่ในแต่ละปี นั่นคือคาร์บอนอย่างน้อย 3.5 พันล้านตัน ซึ่งมากกว่าเกือบสี่เท่าของอุตสาหกรรมการบินทั่วโลกที่ปล่อยออกมาทุกปี ในระดับสูงสุดของการประมาณการของนักวิจัย VHA สามารถรับผิดชอบในการผูกคาร์บอนได้มากถึง 13.5 พันล้านตันต่อปี

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถเพิ่มปัจจัยนี้ในการพิจารณาอื่นๆ เมื่อประเมินผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศจับตัวเป็นโมเลกุลอินทรีย์ได้เร็วเพียงใด ซึ่งกำหนดว่าโลกจะอุ่นขึ้นได้เร็วเพียงใด นอกจากนี้ยังมีการอภิปรายว่าการเปลี่ยนแปลงของความเป็นกรดในมหาสมุทรจะมีผลกระทบโดยตรงต่ออัตราการตรึงคาร์บอนและการผลิตออกซิเจนหรือไม่ Yee กล่าวว่านักวิทยาศาสตร์ยังสามารถเริ่มตั้งคำถามว่าโซลูชันเทคโนโลยีชีวภาพที่ใช้กลไกที่เพิ่งค้นพบนี้สามารถเพิ่มกระบวนการกักเก็บคาร์บอนเพื่อจำกัดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้หรือไม่

ยี้ที่แล้ว เพื่อนหลังปริญญาเอก ที่ห้องปฏิบัติการสรีรวิทยาเซลล์และพืชของศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติฝรั่งเศสในเกรอน็อบล์ รู้สึกภูมิใจที่ทีมงานของเขาสามารถให้กลไกใหม่สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เกิดขึ้นในรูปแบบชีวิตที่มีความสำคัญทางนิเวศวิทยาดังกล่าว

“แต่เราก็ตระหนักเช่นกัน” เขากล่าว “ยิ่งเราเรียนรู้มากเท่าไหร่ เราก็ยิ่งรู้น้อยลงเท่านั้น”