Forskere hjælper med at afsløre en plan for fotosyntese

Nye fund i mikrober kaldet cyanobakterier giver nye muligheder for plantevidenskab, bioteknologi og miljøbeskyttelse

Michigan State University forskere og kolleger ved University of California Berkeley, University of South Bohemia og Lawrence Berkeley National Laboratory har hjulpet med at afsløre det mest detaljerede billede til dato af vigtige biologiske "antenner."

Naturen har udviklet disse strukturer for at udnytte solens energi gennem fotosyntese, men disse sollysmodtagere tilhører ikke planter. De findes i mikrober kendt som cyanobakterier, de evolutionære efterkommere af de første organismer på Jorden, der er i stand til at tage sollys, vand og kuldioxid og omdanne dem til sukker og ilt.

Udgivet 31. august i tidsskriftet Nature , kaster resultaterne straks nyt lys over mikrobiel fotosyntese - specifikt hvordan lysenergi fanges og sendes til, hvor det er nødvendigt for at drive omdannelsen af ​​kuldioxid til sukker. Fremadrettet kan indsigten også hjælpe forskere med at afhjælpe skadelige bakterier i miljøet, udvikle kunstige fotosyntetiske systemer til vedvarende energi og inddrage mikrober i bæredygtig fremstilling, der starter med råmaterialerne kuldioxid og sollys.

"Der er stor interesse for at bruge cyanobakterier som solcelledrevne fabrikker, der fanger sollys og omdanner det til en slags energi, der kan bruges til at fremstille vigtige produkter," siger Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor i strukturel bioteknik ved College of Natural Videnskab. "Med en plan som den, vi har givet i denne undersøgelse, kan du begynde at tænke på tuning og optimering af lysindsamlingskomponenten i fotosyntesen."

"Når du ser, hvordan noget fungerer, har du en bedre idé om, hvordan du kan ændre det og manipulere det. Det er en stor fordel," siger Markus Sutter, en senior forskningsmedarbejder i Kerfeld Lab, som opererer på MSU og Berkeley Lab i Californien.

De cyanobakterielle antennestrukturer, som kaldes phycobilisomes, er komplekse samlinger af pigmenter og proteiner, som samles til relativt massive komplekser.

I årtier har forskere arbejdet på at visualisere de forskellige byggesten i phycobilisomes for at forsøge at forstå, hvordan de er sat sammen. Phycobilisomer er skrøbelige, hvilket nødvendiggør denne stykkevise tilgang. Historisk set har forskere ikke været i stand til at få de højopløselige billeder af intakte antenner, der er nødvendige for at forstå, hvordan de fanger og leder lysenergi.

Nu, takket være et internationalt team af eksperter og fremskridt inden for en teknik kendt som kryo-elektronmikroskopi, er strukturen af ​​en cyanobakteriel lysindsamlingsantenne tilgængelig med næsten atomopløsning. Holdet omfattede forskere fra MSU, Berkeley Lab, University of California, Berkeley og University of South Bohemia i Tjekkiet.

"Vi var heldige at være et team bestående af folk med komplementær ekspertise, folk, der arbejdede godt sammen," sagde Kerfeld, som også er medlem af MSU-DOE Plant Research Laboratory, som er støttet af det amerikanske energiministerium. "Gruppen havde den rigtige kemi."

'En lang rejse fuld af dejlige overraskelser'

"Dette arbejde er et gennembrud inden for fotosyntese," sagde Paul Sauer, en postdoc-forsker i professor Eva Nogales' kryogene elektronmikroskopi-laboratorium ved Berkeley Lab og UC Berkeley.

"Den komplette lysindsamlingsstruktur af en cyanobakteries antenne har manglet indtil nu," sagde Sauer. "Vores opdagelse hjælper os med at forstå, hvordan evolutionen fandt på måder at omdanne kuldioxid og lys til ilt og sukker i bakterier, længe før der fandtes planter på vores planet."

Sammen med Kerfeld er Sauer en tilsvarende forfatter til den nye artikel. Holdet dokumenterede adskillige bemærkelsesværdige resultater, herunder at finde et nyt phycobilisome protein og observere to nye måder, hvorpå phycobilisome orienterer sine lysfangende stænger, som ikke var blevet løst før.

"Det er 12 sider med opdagelser," sagde María Agustina Domínguez-Martín fra Naturen rapport. Som postdoc-forsker i Kerfeld Lab startede Domínguez-Martín undersøgelsen på MSU og bragte den til afslutning på Berkeley Lab. Hun er i øjeblikket på University of Cordoba i Spanien som en del af Marie Skłowdoska-Curie Postdoctoral Fellowship. "Det har været en lang rejse fuld af dejlige overraskelser."

En overraskelse kom for eksempel i, hvordan et relativt lille protein kan fungere som overspændingsbeskytter for den massive antenne. Før dette arbejde vidste forskerne, at phycobilisome kunne samle molekyler kaldet orange carotenoid proteiner eller OCP'er, når phycobilisome havde absorberet for meget sollys. OCP'erne frigiver den overskydende energi som varme, hvilket beskytter en cyanobakteries fotosyntetiske system mod at brænde op.

Indtil nu har der været debat om, hvor mange OCP'er phycobilisome kunne binde, og hvor disse bindingssteder var. Den nye forskning besvarer disse grundlæggende spørgsmål og tilbyder potentielt praktisk indsigt.

Denne form for overspændingsbeskyttelsessystem - som kaldes fotobeskyttelse og har analoger i planteverdenen - har naturligvis en tendens til at være spild. Cyanobakterier er langsomme til at slå deres fotobeskyttelse fra, efter at de har gjort sit arbejde. Nu, med det komplette billede af, hvordan overspændingsbeskytteren fungerer, kan forskere designe måder at udvikle "smart", mindre spild fotobeskyttelse, sagde Kerfeld.

Og på trods af at de hjælper med at gøre planeten beboelig for mennesker og utallige andre organismer, der har brug for ilt for at overleve, har cyanobakterier en mørk side. Cyanobakterier blomstrer i søer, damme og reservoirer kan producere toksiner, der er dødelige for indfødte økosystemer såvel som mennesker og deres kæledyr. At have en plan for, hvordan bakterierne ikke kun samler solens energi, men også beskytter sig selv mod for meget af den, kunne inspirere til nye ideer til at angribe skadelige opblomstringer.

Ud over de nye svar og potentielle anvendelser, som dette arbejde tilbyder, er forskerne også begejstrede for de nye spørgsmål, det rejser, og den forskning, det kunne inspirere.

"Hvis du tænker på det her som Legos, kan du blive ved med at bygge op, ikke? Proteinerne og pigmenterne er ligesom blokke, der laver phycobilisome, men så er det en del af fotosystemet, som er i cellemembranen, som er en del af hele cellen. " sagde Sutter. "Vi klatrer op ad skalastigen på en måde. Vi har fundet noget nyt på vores trin, men vi kan ikke sige, at vi har fået systemet på plads."

"Vi har besvaret nogle spørgsmål, men vi har åbnet dørene for andre, og for mig er det det, der gør det til et gennembrud," sagde Domínguez-Martín. "Jeg er spændt på at se, hvordan feltet udvikler sig herfra." + Udforsk yderligere

Orange er den nye 'blok':Struktur afslører nøglefunktioner, der hjælper med at blokere overskydende lysabsorption under fotosyntese