Vi khuẩn đạt được siêu năng lực quang hợp từ 'bơm proton' | Tạp chí lượng tử

Một khu rừng nhiệt đới dày đặc hoặc thảm thực vật trên cạn xanh tươi khác có thể là điều đầu tiên xuất hiện trong đầu khi đề cập đến quá trình quang hợp. Tuy nhiên, những đám mây thực vật phù du lấp đầy các đại dương là động lực chính của quá trình đó trong tự nhiên. Các vi khuẩn thủy sinh đơn bào giống như thực vật tạo ra hơn 50% lượng oxy trong khí quyển và chúng hấp thụ gần một nửa lượng carbon dioxide, biến nó thành glucose, chất béo, protein và các phân tử hữu cơ khác nuôi dưỡng lưới thức ăn của đại dương .

A nghiên cứu mới xuất bản in Hiện tại Sinh học cuối cùng đã xác định được nguồn gốc của hiệu quả quang hợp vô song này, vốn từ lâu đã khiến các nhà khoa học bối rối. Nghiên cứu mới phát hiện ra rằng một số thực vật phù du được trang bị thêm một màng bên trong mang enzyme “bơm proton” giúp tăng cường khả năng chuyển đổi carbon dioxide thành các chất khác của chúng. Những cải tiến do sự biến đổi một loại protein này dường như góp phần tạo ra gần 12% lượng oxy trong không khí và tới 25% tổng lượng carbon “cố định” (được khóa trong các hợp chất hữu cơ) trong đại dương.

Đáng ngạc nhiên, sự đổi mới quang hợp đó dường như đã tiến hóa một cách tình cờ từ một loại protein màng ban đầu được sử dụng để tiêu hóa ở tổ tiên của thực vật phù du. Ngoài việc giải thích khả năng quang hợp của các tế bào, công trình mới giúp xác nhận giả thuyết rằng những thực vật phù du đó phát sinh thông qua liên minh cộng sinh giữa một động vật nguyên sinh và một loại tảo xanh có khả năng phục hồi.

“Tôi thấy thật đáng kinh ngạc khi một loại enzyme proton mà chúng ta đã biết trong nhiều thập kỷ lại chịu trách nhiệm duy trì một hiện tượng quan trọng như vậy trên Trái đất,” cho biết Dennis Brown, một nhà sinh học tế bào tại Trường Y Harvard, người nghiên cứu các chức năng của protein màng và không tham gia vào nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu biết rằng một số loại thực vật phù du - tảo cát, tảo hai roi và coccolithophores - nổi bật nhờ khả năng quang hợp đặc biệt của chúng. Những tế bào đó cực kỳ thành thạo trong việc hấp thụ carbon dioxide từ môi trường của chúng và hướng nó đến lục lạp để quang hợp, nhưng chi tiết về lý do tại sao chúng lại giỏi như vậy vẫn chưa rõ ràng. Tuy nhiên, một đặc điểm duy nhất của ba nhóm thực vật phù du đó là chúng có thêm một màng bao quanh lục lạp.

Bảy năm trước, nhà vi trùng học Daniel Yee, tác giả chính của nghiên cứu mới, đang nghiên cứu tảo cát để lấy bằng tiến sĩ tại Viện Hải dương học Scripps thuộc Đại học California, San Diego. Quang hợp không phải là trọng tâm của anh ấy; ông đã tìm cách hiểu cách tảo cát điều chỉnh độ axit bên trong của chúng để giúp dự trữ chất dinh dưỡng và xây dựng thành tế bào silica cứng rắn của chúng. Nhưng ông vẫn chú ý đến lớp màng bổ sung độc đáo xung quanh lục lạp của chúng.

Ông biết được rằng lớp màng phụ được các nhà nghiên cứu coi là tàn dư của một quá trình tiêu hóa thất bại thời cổ đại. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng khoảng 200 triệu năm trước, một động vật nguyên sinh săn mồi đã cố gắng ăn một loại tảo quang hợp đơn bào. Nó bao bọc tảo đàn hồi trong một cấu trúc màng gọi là không bào thức ăn để tiêu hóa nó, nhưng không rõ vì lý do gì mà quá trình tiêu hóa không xảy ra. Thay vào đó, tảo sống sót và trở thành đối tác cộng sinh với động vật nguyên sinh, cung cấp cho nó thành quả của quá trình quang hợp. Mối quan hệ hợp tác này ngày càng sâu sắc qua nhiều thế hệ cho đến khi sinh vật hai trong một mới tiến hóa thành tảo cát mà chúng ta biết ngày nay. Nhưng lớp màng phụ từng là không bào thức ăn không bao giờ biến mất.

Vào cuối những năm 1990, một số nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng không bào thực phẩm trước đây vẫn có khả năng mang protein kênh xuyên màng được gọi là bơm proton. Nhà vi trùng học giải thích rằng máy bơm proton là những phân tử rất linh hoạt có thể được chuyên dụng cho các nhiệm vụ đa dạng trong sinh vật, từ tiêu hóa đến điều chỉnh độ axit trong máu đến giúp tế bào thần kinh gửi tín hiệu. Martin Tresguerres, đồng tác giả cao cấp của nghiên cứu mới và là cựu cố vấn của Yee tại UCSD. Ở động vật có vú, một loại bơm proton có thể tạo ra các điều kiện axit có tính ăn mòn cao trong các vùng xương để phá vỡ cấu trúc khoáng hóa của chúng và hòa tan chúng theo thời gian.

Yee phát hiện ra rằng bơm proton tương tự cũng giúp tảo cát tạo ra lớp vỏ silica cứng của chúng. Nhưng xem xét tính linh hoạt của bơm proton và mối liên hệ trực tiếp của nó với lục lạp, ông tin chắc rằng nó còn làm được nhiều hơn thế.

Sử dụng kết hợp các kỹ thuật sinh học phân tử, Yee và nhóm của ông đã xác nhận rằng màng phụ xung quanh lục lạp của thực vật phù du có chứa một máy bơm proton hoạt động, có chức năng - được gọi là VHA thường đóng vai trò tiêu hóa trong không bào thức ăn. Họ thậm chí còn hợp nhất bơm proton với protein huỳnh quang để có thể xem nó hoạt động trong thời gian thực. Những quan sát của họ đã ủng hộ lý thuyết nội cộng sinh về cách tảo cát có được lớp màng phụ xung quanh lục lạp của chúng.

Yee, Tresguerres và các đồng nghiệp của họ cũng tò mò về cách bơm proton có thể ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của lục lạp. Để tìm hiểu, họ đã sử dụng một loại thuốc ức chế, concanamycin A, để dừng hoạt động của bơm proton trong khi họ theo dõi mức độ thực vật phù du tiếp tục kết hợp carbon thành carbonat và tạo ra oxy. Họ phát hiện ra rằng việc ức chế bơm proton làm giảm đáng kể cả quá trình cố định carbon và sản xuất oxy trong tế bào.

Công việc tiếp theo giúp họ hiểu rằng máy bơm tăng cường quang hợp bằng cách tập trung carbon gần lục lạp. Bơm chuyển proton từ tế bào chất sang ngăn giữa màng phụ và lục lạp. Độ axit trong ngăn tăng lên khiến nhiều carbon (ở dạng ion bicacbonat) khuếch tán vào ngăn để trung hòa nó. Enzim chuyển hóa bicacbonat trở lại thành cacbon dioxit, sau đó hợp chất này ở gần các enzim cố định cacbon của lục lạp một cách thuận tiện.

Sử dụng số liệu thống kê về sự phân bố của tảo cát và thực vật phù du khác có màng phụ trên khắp đại dương toàn cầu, các nhà nghiên cứu đã ngoại suy rằng sự gia tăng hiệu quả này từ protein màng VHA chiếm gần 12% lượng oxy trong khí quyển của Trái đất. Nó cũng đóng góp từ 7% đến 25% tổng lượng carbon đại dương cố định mỗi năm. Đó là ít nhất 3.5 tỷ tấn carbon - gần gấp bốn lần lượng mà ngành hàng không toàn cầu thải ra hàng năm. Theo ước tính cao nhất của các nhà nghiên cứu, VHA có thể chịu trách nhiệm thu hồi tới 13.5 tỷ tấn carbon mỗi năm.

Các nhà khoa học hiện có thể thêm yếu tố này vào các cân nhắc khác khi ước tính tác động của biến đổi khí hậu đối với tốc độ carbon dioxide trong khí quyển được cố định thành các phân tử hữu cơ, điều này cho thấy hành tinh sẽ tiếp tục nóng lên nhanh như thế nào. Nó cũng dẫn đến các cuộc thảo luận về việc liệu những thay đổi về độ axit của đại dương có tác động trực tiếp đến tốc độ cố định carbon và sản xuất oxy hay không. Yee nói rằng các nhà khoa học cũng có thể bắt đầu đặt câu hỏi liệu các giải pháp công nghệ sinh học dựa trên cơ chế mới được phát hiện có thể tăng cường quá trình cô lập carbon để hạn chế biến đổi khí hậu hay không.

Yee, bây giờ là ai một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Tế bào và Sinh lý Thực vật của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp ở Grenoble, tự hào rằng nhóm của ông đã có thể cung cấp một cơ chế mới về cách thức quang hợp xảy ra ở một dạng sống quan trọng về mặt sinh thái như vậy.

“Nhưng chúng tôi cũng nhận ra,” ông nói, “rằng càng học nhiều, chúng tôi càng biết ít.”