Studiet giver indsigt i, hvordan alger suger kuldioxid fra luften

To nye undersøgelser af grønne alger - svøbe for svømmebassinejere og ferskvandsdamme - har afsløret ny indsigt i, hvordan disse organismer suger kuldioxid fra luften til brug i fotosyntese, en nøglefaktor i deres evne til at vokse så hurtigt. At forstå denne proces kan en dag hjælpe forskere med at forbedre vækstraten for afgrøder som hvede og ris.

I undersøgelser offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Celle , det Princeton-ledede hold rapporterede den første detaljerede opgørelse over det cellulære maskineri - placeret i en organel kendt som pyrenoiden - som alger bruger til at opsamle og koncentrere kuldioxid. Forskerne fandt også ud af, at pyrenoiden, længe anset for at være en solid struktur, opfører sig faktisk som en væskedråbe, der kan opløses i det omgivende cellemedium, når algecellerne deler sig.

"At forstå, hvordan alger kan koncentrere kuldioxid, er et vigtigt skridt mod målet om at forbedre fotosyntesen i andre planter, sagde Martin Jonikas, en assisterende professor i molekylærbiologi ved Princeton og leder af studierne, som omfattede samarbejdspartnere ved Max Planck Institute of Biochemistry i Tyskland og Carnegie Institution for Science på Stanford University campus. "Hvis vi kunne konstruere andre afgrøder til at koncentrere kulstof, vi kunne imødekomme den voksende verdensefterspørgsel efter fødevarer, " sagde Jonikas.

Vandalger og en håndfuld andre planter har udviklet kulstofkoncentrerende mekanismer, der øger fotosyntesehastigheden, den proces, hvorved planter omdanner kuldioxid og sollys til sukker til vækst. Alle planter bruger et enzym kaldet Rubisco til at "fiksere" kuldioxid til sukker, der kan bruges eller opbevares af planten.

Alger har en fordel i forhold til mange landplanter, fordi de samler Rubisco-enzymer inde i pyrenoiden, hvor enzymerne møder høje koncentrationer af kuldioxid pumpet ind fra luften. At have mere kuldioxid omkring gør det muligt for Rubisco-enzymer at arbejde hurtigere.

I den første af de to undersøgelser, der blev rapporteret i denne uge, forskerne gennemførte en gennemgribende søgning efter proteiner involveret i kulstofkoncentreringsmekanismen hos en algeart kendt som Chlamydomonas reinhardtii. Ved hjælp af teknikker udviklede forskerne til hurtigt at mærke og evaluere algeproteiner, forskerne identificerede hvert proteins placering og funktioner, detaljering af de fysiske interaktioner mellem proteinerne for at skabe et pyrenoid "interaktom".

Eftersøgningen afslørede 89 nye pyrenoidproteiner, herunder dem, som forskerne mener, fører kulstof ind i pyrenoiden og andre, der er nødvendige for dannelsen af ​​pyrenoiden. De identificerede også tre hidtil ukendte lag af pyrenoiden, der omgiver organellen som lagene af et løg. "Oplysningerne repræsenterer den bedste vurdering endnu af, hvordan dette essentielle kulstofkoncentrerende maskineri er organiseret og foreslår nye veje til at udforske, hvordan det fungerer, " sagde Luke Mackinder, undersøgelsens første forfatter og en tidligere postdoc-forsker ved Carnegie Institution, som nu leder et team af forskere ved University of York, U.K.

I den anden undersøgelse, forskerne rapporterer, at pyrenoiden, længe anset for at være en solid struktur, er faktisk væskelignende. Teknikker brugt i tidligere undersøgelser krævede, at forskerne dræbte og kemisk konserverede algerne, før de afbildede dem. I denne nye undersøgelse, forskerne afbildede algerne, mens organismerne levede, ved at bruge et gult fluorescerende protein til at mærke Rubisco.

Mens man observerer algerne, Elizabeth Freeman Rosenzweig, derefter en Carnegie Institution kandidatstuderende, og Mackinder brugte en kraftig laser til at ødelægge den fluorescerende etiket på Rubisco i halvdelen af ​​pyrenoiden, mens etiketten efterlades i den anden halvdel af pyrenoiden intakt. Inden for få minutter, fluorescensen omfordelt til hele pyrenoiden, viser, at enzymerne let bevægede sig rundt, som de ville i en væske.

Benjamin Engel, en postdoc-forsker og projektleder ved Max Planck Institute of Biochemistry, yderligere udforsket dette fund ved hjælp af en anden billeddannelsesteknik kaldet kryo-elektron tomografi. Han frøs og forberedte hele algeceller og afbildede dem derefter med et elektronmikroskop, som er så følsom, at den kan opløse individuelle molekylers strukturer.

Teknikken gjorde det muligt for Engel at visualisere pyrenoiden i tre dimensioner og i nanometeropløsning. Ved at sammenligne disse billeder med billederne af væskesystemer, forskerne bekræftede, at pyrenoiden var organiseret som en væske. "Dette er et af de sjældne eksempler, hvor klassisk genetik, cellebiologi og højopløselige billeddannelsestilgange blev alle samlet i en undersøgelse, sagde Engel.

Undersøgelsen gjorde det muligt for holdet at spørge, hvordan en pyrenoid overføres til næste generation, når de encellede alger deler sig i to datterceller. Freeman Rosenzweig bemærkede, at pyrenoiden nogle gange undlader at dele sig, efterlader en af ​​dattercellerne uden pyrenoid.

Ved at bruge de fluorescerende proteiner, holdet observerede, at den celle, der ikke kunne modtage halvdelen af ​​pyrenoiden, faktisk stadig kunne danne en spontant. De fandt ud af, at hver dattercelle modtager en vis mængde af pyrenoiden i sin opløste form, og at disse næsten uopdagelige komponenter kan kondensere til en fuldgyldig pyrenoid.

"Vi tror, ​​at pyrenoidopløsningen før celledeling og kondensering efter deling kan være en overflødig mekanisme til at sikre, at begge datterceller får pyrenoider, " sagde Jonikas. "På den måde, begge datterceller vil have denne nøgleorganel, der er afgørende for at assimilere kulstof."

For yderligere at undersøge, hvordan dette kan ske, Jonikas samarbejdede med Ned Wingreen, Princetons Howard A. Tidligere professor i biovidenskab og molekylærbiologi. Wingreen og hans team skabte en computersimulering af interaktionerne mellem Rubisco og et andet protein kaldet EPYC1 - opdaget at være afgørende for pyrenoiden af ​​Mackinder og andre på Jonikas' team - som fungerer som lim til at klæbe sammen flere Rubiscos.

Computersimuleringen antydede, at tilstanden af ​​pyrenoiden - hvad enten det var en kondenseret væskedråbe eller opløst i det omgivende rum - afhang af antallet af bindingssteder på EPYC1. I simuleringen, Rubisco har otte bindingssteder, eller otte steder, hvor EPYC1 kan docke til en Rubisco. Hvis EPYC1 har fire bindingssteder, så fylder to EPYC1'er nøjagtigt alle dockingsteder på en Rubisco, og omvendt. Fordi disse fuldt bundne Rubisco-EPYC1-komplekser er små, de danner en opløst tilstand. Men hvis EPYC1 har tre eller fem bindingssteder, det kan ikke fylde alle Rubisco-webstederne, og der er åbne steder på Rubiscos til binding af yderligere EPYC1'er, som også har gratis sider, der kan tiltrække andre Rubiscos. Resultatet er en klump af Rubiscos og EPYC1s, der danner en væskelignende dråbe.

Ændringen i systemets fase afhængigt af forholdet mellem EPYC1 og Rubisco-bindingssteder kan betragtes som en "magisk tal"-effekt, et udtryk, der typisk bruges i fysik til at beskrive forhold, hvor et bestemt antal partikler danner en usædvanlig stabil tilstand. "Disse magiske tal, udover at være relevant for pyrenoidsystemer, kan have en vis valuta inden for polymerfysik og potentielt inden for syntetisk biologi, " sagde Wingreen.

Wingreen og Jonikas fortsætter deres samarbejde og håber at udvikle projektet både teoretisk - ved at udforske forskellige fleksibilitet og konfigurationer af Rubisco og EPYC1 - og eksperimentelt, ved at kombinere de to proteiner i et reagensglas og manipulere antallet af bindingssteder.

"Den tidligere tankegang var, at jo flere bindingssteder de har, jo mere proteinerne har en tendens til at klynge sig sammen, " sagde Jonikas. "Opdagelsen af, at der er en magisk taleffekt er vigtig ikke kun for pyrenoider, men måske for mange andre væskelignende organeller, der findes overalt i naturen."

Med yderligere undersøgelser, disse resultater kan give vigtig indsigt i at sikre tilgængeligheden af ​​hurtigt voksende afgrøder for en voksende verdensbefolkning.