Cyanobakterielle undersøgelser undersøger cellulær struktur under nitrogensult

Ved at bruge ikke-destruktive neutronspredningsteknikker, forskere undersøger, hvordan encellede organismer kaldet cyanobakterier producerer ilt og opnår energi gennem fotosyntese.

Samarbejdspartnere fra Washington University i St. Louis og US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) udfører en række eksperimenter for at studere adfærden af ​​phycobilisomer - store antenneproteinkomplekser i cyanobakterieceller - ved hjælp af Bio-SANS instrument, strålelinje CG-3, på laboratoriets High Flux Isotope Reactor (HFIR). Phycobilisomes høster lys for at starte fotosyntese, og en bedre forståelse af denne proces kunne hjælpe forskere med at designe mere effektive solpaneler og andre kunstige strukturer, der efterligner naturlige systemer.

Neutroner kan analysere disse sarte strukturer uden at beskadige eller dræbe dem og med mere rumlig nøjagtighed end andre teknikker som mikroskopi.

"Med Bio-SANS, vi kan faktisk se, hvad der sker på nanoskalaniveau i realtid i en levende celle, " sagde ORNL-forsker Hugh O'Neill.

Phycobilisomes fæstner sig til cellemembraner, hvor de lysafhængige reaktioner ved fotosyntese finder sted. Ændring af phycobilisomernes antennekomplekser kan have dramatiske og vidtrækkende konsekvenser i cyanobakterier.

"Vi er interesserede i at ændre disse antennesystemer og observere de resulterende strukturelle ændringer, "sagde Washington University's Michelle Liberton.

Under tidligere besøg på ORNL, holdet ændrede kunstigt phycobilisomes ved at slette visse gener i cellerne. Disse modifikationer forårsagede strukturelle defekter i cellemembranerne og andre drastiske ændringer i cellefysiologien.

Nu modificerer de naturligt antennekomplekserne ved at sulte cyanobakterierne for nitrogen, et næringsstof, der er afgørende for deres grundlæggende funktioner. Denne udtømningsproces får antennen til at falde i størrelse, hvilket igen fører til betydelige cellulære omlejringer og modifikationer i membranlagene.

Denne kæde af begivenheder opstår, fordi cellerne nedbryder phycobilisomerne og bruger dem som en alternativ nitrogenkilde for at overleve.

"Phycobilisome-antennekomplekset er et enormt lager af mikronæringsstoffer i cellerne, Liberton forklarede. "Når komplekset nedbrydes, cellerne har adgang til materialer, de ikke længere kan få fra miljøet. "

Ved at bestemme omfanget af disse ændringer, holdet håber på bedre at forstå struktur-funktionsforholdet mellem cellulær organisation og naturlig modifikation. Disse processer kan straks vendes ved at genskabe nitrogen til cellerne.

Forskerne planlægger at sammenligne disse resultater med dem, der er registreret fra deres genetiske undersøgelser for at udforske forskellene mellem kunstige og naturlige modifikationer og deres virkninger på den intracellulære sammensætning af cyanobakterier.

Disse resultater understøtter Photosynthetic Antenna Research Center (PARC), et DOE-finansieret Energy Frontier Research Center baseret på Washington University siden 2009. Centret samler et internationalt netværk af eksperter fra den akademiske verden og forskningsfaciliteter, inklusive ORNL, at studere antennesystemer og deres rolle i fotosyntesen.

"På det grundlæggende niveau, denne forskning er relateret til, hvordan effektive naturlige systemer bruger sollys, "sagde Bio-SANS instrumentforsker og PARC-samarbejdspartner Volker Urban.

Sådanne indsigter er uvurderlige for PARC-bidragyderne, der håber at forbedre bæredygtig teknologi inspireret af den naturlige verden.