Vejen til den brune farve af kiselalger opdaget

Kiselalger er mikroskopiske encellede alger, der forekommer i naturlige farvande verden over. Under fotosyntesen optager de store mængder kuldioxid, den primære drivhusgas, der udsendes gennem menneskelige aktiviteter, og omdanner den til biomasse. Carotenoiden fucoxanthin gør det muligt for kiselalger effektivt at høste den blågrønne del af sollyset til fotosyntese.

I samarbejde med et internationalt forskerhold har forskere fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland nu opdaget, hvordan algerne producerer dette vigtige og meget brugte pigment. Deres arbejde er for nylig blevet offentliggjort i en videnskabelig artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Ny indsigt i syntesen af ​​fucoxanthin

Kiselalger, der trives i både hav- og ferskvandsmiljøer over hele verden, er den mest artsrige algegruppe og er blevet estimeret til at tegne sig for op til en femtedel af den globale fotosyntetiske kuldioxidfiksering. I modsætning til de fotosyntetisk aktive grønne blade af landplanter er kiselalger brunfarvede. Deres tydelige farve er forårsaget af det lys-høstende carotenoid fucoxanthin, der muliggør effektiv absorption og fotosyntetisk udnyttelse af det blågrønne lys, der er fremherskende i mange akvatiske levesteder. Fucoxanthin er en af ​​de mest udbredte carotenoider på jorden og en vigtig drivkraft for marin fotosyntese.

I løbet af det sidste årti er fucoxanthin også blevet et emne med stigende interesse for nutraceutiske og farmaceutiske anvendelser. Først nævnt i den videnskabelige litteratur allerede for 150 år siden som et vigtigt pigment i brunalger, blev den kemiske struktur af fucoxanthin etableret i 1960'erne. Indtil videre var det dog ikke kendt, hvordan alger syntetiserer dette vigtige naturprodukt.

Forskergrupperne af Dr. Martin Lohr ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), professor Graham Peers ved Colorado State University i Fort Collins, USA, og professor Xiaobo Li ved Westlake University i Hangzhou i Kina har nu afsløret den biosyntetiske vej for fucoxanthin i kiselalger, rapporteret i et fælles manuskript offentliggjort i PNAS .

Ved hjælp af den genetiske CRISPR/Cas9-saks svækkede forskerne gener i kiselalgen Phaeodactylum tricornutum, der koder for proteiner med høj lighed med enzymer involveret i carotenoidbiosyntese i landplanter. Knockouten af ​​to af disse kandidatenzymer resulterede i grøn-farvede mutanter, der var blottet for fucoxanthin, men havde akkumuleret andre carotenoider i stedet og havde en stærkt formindsket fotosynteseeffektivitet. Den detaljerede biokemiske karakterisering af de nye carotenoider og af enzymerne, der blev slået ud i mutanterne, gjorde det muligt for forskerne at foreslå den komplette vej til fucoxanthin i kiselalger.

Syntese via en kompleks vej med hidtil ukendte mellemprodukter

Vejen viste sig at være væsentlig mere kompleks end forventet og omfatter tre nye carotenoid-mellemprodukter. Baseret på bioinformatiske analyser af de nyopdagede enzymer og deres fordeling blandt alger, var forskerne også i stand til at vise, at fucoxanthin-vejen udviklede sig ved duplikering af gamle gener for enzymer, der katalyserer dannelsen af ​​fotobeskyttende carotenoider.

Som forfatterne forklarer, tjente carotenoider i fotosyntetiske organismer oprindeligt som beskyttelsesmidler under overskydende lys. Deres seneste arbejde viser, at kiselalger gentagne gange duplikerede komponenter i den enzymatiske værktøjskasse, der genererer disse fotobeskyttende pigmenter. Nogle af kopierne fik nye funktioner og muliggjorde således syntesen af ​​mere komplekse carotenoider, der viste sig at være særligt velegnede til fotosyntetisk lysindsamling. Især mangler de evolutionære yngre brunalger disse yderligere enzymer og de nye carotenoidmellemprodukter. I stedet ser de ud til at bruge en modificeret vej, der udviklede sig ved at forkorte vejen i kiselalger.

En overførsel af den komplette fucoxanthin biosyntesevej til andre organismer er endnu ikke mulig. "Vi har identificeret alle pathway-mellemprodukter, men nogle af de involverede enzymer er stadig ukendte," sagde Dr. Martin Lohr fra JGU's Institute of Molecular Physiology (IMP). Forfatterne forventer dog, at deres resultater vil fremme identifikation af de endnu manglende enzymer. Desuden vil de grønne diatomemutanter give hidtil usete forskningsmuligheder for en dybere forståelse af biogenesen og reguleringen af ​​det fotosyntetiske apparat i denne fremtrædende algegruppe af særlig økologisk betydning. + Udforsk yderligere

Kaster lys over algernes brune farve