Мікроби отримали надздібності фотосинтезу завдяки «протонному насосу» | Журнал Quanta

При згадці про фотосинтез першим спадає на думку густий тропічний ліс або інша зелена наземна рослинність. Проте хмари фітопланктону, які заповнюють океани, є основними рушійними силами цього процесу в природі. Рослиноподібні одноклітинні водні мікроби виробляють понад 50% кисню в атмосфері та поглинають майже половину вуглекислого газу, перетворюючи його на глюкозу, жири, білки та інші органічні молекули, які живлять харчову мережу океанів. .

A Нещодавно опубліковане дослідження in Current Biology нарешті встановлює джерело цієї неперевершеної ефективності фотосинтезу, яка довго бентежила вчених. Нове дослідження виявило, що деякі фітопланктони оснащені додатковою внутрішньою мембраною, яка містить фермент «протонної помпи», який посилює їхню здатність перетворювати вуглекислий газ на інші речовини. Поліпшення завдяки цій одній модифікації білка, здається, сприяють виробленню майже 12% кисню в повітрі та цілих 25% усього «фіксованого» вуглецю (заблокованого в органічні сполуки) в океані.

Дивно, але ця фотосинтетична інновація, схоже, виникла випадково з мембранного білка, який спочатку використовувався для травлення в прабатьку фітопланктону. На додаток до пояснення здатності клітин до фотосинтезу, нова робота допомагає підтвердити теорію про те, що цей фітопланктон виник через симбіотичний союз між найпростішими та стійкою зеленою водоростю.

«Я вважаю приголомшливим, що протонний фермент, який ми знаємо стільки десятиліть, відповідає за підтримку такого важливого явища на Землі», — сказав Денніс Браун, клітинний біолог Гарвардської медичної школи, який вивчає функції мембранних білків і не брав участі в дослідженні.

Дослідники знали, що певні класи фітопланктону — діатомові водорості, динофлагелляти та коколітофори — виділяються своїми винятковими фотосинтетичними здібностями. Ці клітини надзвичайно вміло поглинають вуглекислий газ із навколишнього середовища та спрямовують його до своїх хлоропластів для фотосинтезу, але подробиці того, чому вони так добре вміють, не дуже зрозумілі. Унікальною особливістю цих трьох груп фітопланктону є те, що вони мають додаткову мембрану навколо своїх хлоропластів.

Сім років тому мікробіолог Деніел Йі, провідний автор нового дослідження, вивчав діатомові водорості для свого докторського ступеня в Інституті океанографії Скріппса при Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго. Фотосинтез не був його центром; він прагнув зрозуміти, як діатомові водорості регулюють свою внутрішню кислотність, щоб сприяти зберіганню поживних речовин і створювати міцну клітинну стінку кремнезему. Але він постійно помічав унікальну додаткову мембрану навколо їхніх хлоропластів.

Він дізнався, що додаткова мембрана широко розглядається дослідниками як залишок давнього, невдалого акту травлення. Вчені припустили, що близько 200 мільйонів років тому хижі найпростіші спробували поласувати одноклітинною фотосинтезуючою водорістю. Він огортав еластичну водорість мембранною структурою, яка називається харчовою вакуоллю, щоб перетравлювати її, але з невідомих причин травлення не відбулося. Натомість водорість вижила і стала симбіотичним партнером найпростішого, годуючи його плодами свого фотосинтезу. Це партнерство поглиблювалося з поколіннями, поки новий організм «два в одному» не перетворився на діатомові водорості, які ми знаємо сьогодні. Але додатковий шар мембрани, який був харчовою вакуоллю, ніколи не зникав.

Наприкінці 1990-х рр. деякі вчені висунули гіпотезу що колишня харчова вакуоль все ще, ймовірно, переносить білок трансмембранного каналу, який називається протонною помпою. Протонні помпи — це надзвичайно універсальні молекули, які можна спеціалізувати для різноманітних завдань в організмах, від травлення до регуляції кислотності крові до допомоги нейронам надсилати сигнали, пояснив мікробіолог. Мартін Трегеррес, старший співавтор нового дослідження та колишній радник Йі в UCSD. У ссавців один тип протонної помпи може створювати сильно корозійні кислотні умови в ділянках кісток, щоб руйнувати їх мінералізовану структуру та розчиняти їх з часом.

Йі виявив, що той самий протонний насос також допомагає діатомовим водоростям створювати їх міцну кремнеземну оболонку. Але враховуючи універсальність протонної помпи та її безпосередній зв’язок із хлоропластом, він був переконаний, що вона робить ще більше.

Використовуючи комбінацію методів молекулярної біології, Йі та його команда підтвердили, що додаткова мембрана навколо хлоропласту фітопланктону дійсно містить активний функціональний протонний насос — так званий VHA, який часто виконує травну роль у харчових вакуолях. Вони навіть з’єднали протонну помпу з флуоресцентним білком, щоб вони могли спостерігати за її роботою в реальному часі. Їхні спостереження підтвердили ендосимбіотичну теорію про те, як діатомові водорості придбали додаткову мембрану навколо своїх хлоропластів.

Yee, Tresguerres та їхні колеги також цікавилися тим, як протонний насос може впливати на фотосинтетичну активність хлоропласту. Щоб з’ясувати це, вони використали інгібуючий препарат, конканаміцин А, щоб зупинити роботу протонної помпи, в той час як вони відстежували, наскільки фітопланктон продовжує включати вуглець у карбонати та виробляти кисень. Вони виявили, що пригнічення протонної помпи значно зменшує як фіксацію вуглецю, так і виробництво кисню в клітинах.

Подальша робота допомогла їм зрозуміти, що насос посилює фотосинтез, концентруючи вуглець біля хлоропластів. Насос переніс протони з цитоплазми в компартмент між додатковою мембраною і хлоропластом. Підвищена кислотність у відсіку змусила більше вуглецю (у формі іонів бікарбонату) дифундувати у відсік для його нейтралізації. Ферменти перетворювали бікарбонат назад на вуглекислий газ, який потім зручно знаходився поблизу вуглецевофіксуючих ферментів хлоропласту.

Використовуючи статистику розподілу діатомових водоростей та іншого фітопланктону з додатковою мембраною в глобальному океані, дослідники екстраполювали, що це збільшення ефективності мембранного білка VHA становить майже 12% кисню в атмосфері Землі. Він також становить від 7% до 25% усього океанічного фіксованого вуглецю щороку. Це щонайменше 3.5 мільярда тонн вуглецю — майже в чотири рази більше, ніж щорічно викидає світова авіаційна промисловість. За найвищою оцінкою дослідників, VHA може бути відповідальним за пов’язування 13.5 мільярдів тонн вуглецю на рік.

Тепер вчені можуть додати цей фактор до інших міркувань, оцінюючи вплив зміни клімату на те, наскільки швидко атмосферний вуглекислий газ фіксується в органічних молекулах, що визначає, як швидко планета продовжуватиме нагріватися. Це також стосується дискусій про те, чи будуть зміни кислотності океану мати прямий вплив на темпи фіксації вуглецю та виробництва кисню. Йі сказав, що вчені також можуть почати запитувати, чи можуть біотехнологічні рішення, засновані на нещодавно відкритому механізмі, посилити процес поглинання вуглецю для обмеження зміни клімату.

Так, хто зараз докторант в Лабораторії фізіології клітин і рослин Французького національного центру наукових досліджень у Греноблі, пишається тим, що його команда змогла створити новий механізм, як відбувається фотосинтез у такій екологічно важливій формі життя.

«Але ми також розуміємо, — сказав він, — що чим більше ми дізнаємося, тим менше знаємо».