Unikke pigmenter i fotosyntetiske marinebakterier afslører, hvordan den lever i svagt lys

En højopløselig strukturel analyse af RIKENs biokemikere af fotosystem I, som indeholder klorofyl d og pheophytin a, de lysabsorberende pigmenter, der findes i en marin bakterie, kunne hjælpe videnskabsmænd med at opdage, hvordan mikroben overlever i lavenergilysforholdene i dybhavet.

I fotosyntesen, planter, alger og nogle bakterier udnytter energi fra sollys til at skabe ilt og kulhydrater fra kuldioxid og vand. Klorofyl, pigmentet, der er ansvarligt for at give planter deres grønne farve, spiller en stor rolle i at absorbere sollys og omdanne det til en nyttig form for kemisk energi.

Forskere plejede at tro, at fotosystem I, membranproteinkomplekset til stede i alle aerobe organismer, brugt en form for klorofyl kaldet klorofyl a til fotosyntese. Men det ændrede sig, da en marin cyanobakterie blev opdaget i 1990'erne, som anvender en anden form for klorofyl; Acaryochloris marina bruger klorofyl d til at udnytte langt røde bølgelængder af lys, hvis energi tidligere blev anset for at være for lav til at være nyttig for typiske organismer.

"Hvordan A. marina bruger lavenergilys til fotosyntese har været et langvarigt spørgsmål, " bemærker Koji Yonekura, der leder Biostructural Mechanism Group på RIKEN SPring-8 Center.

Nu, Tasuku Hamaguchi, Keisuke Kawakami, Yonekura og deres kolleger har kastet lys over dette spørgsmål ved at analysere strukturen af ​​fotosystem I reaktionscenter - den del af klorofyl, der omdanner sollys til en form for kemisk energi, som kan bruges af resten af ​​fotosyntesemaskineriet - af klorofyl d i A. marina (fig. 1). De indså dette ved at bruge kryo-elektronmikroskopi med en højere opløsning, end der er blevet anvendt til at se på disse proteinkomplekser før.

Forskernes analyse afslørede, at et af de lys-høstende pigmenter er pheophytin a, en metalfri klor, der adskiller sig fra andre type I reaktionscentre. Denne udsøgte kombination af pheophytin a og klorofyl d hjælper med at forklare nogle måder, hvorpå cyanobakterien effektivt kan udnytte den lave energi fra langt rødt lys til fotosyntese.

Holdets resultater kunne hjælpe os med bedre at forstå, hvordan fotosyntetiske organismer er i stand til at overleve i ekstremt svagt lysmiljøer, både her på Jorden og potentielt udenfor. A. marina findes i områder med ekstremt svagt lys i havet, og det er muligt, at liv hinsides Jorden kunne eksistere i lignende omgivelser med lavt lys.

Forskerne indså den hidtil usete opløsning i denne undersøgelse ved at bruge en kryogen elektronmikroskopi, der producerer overlegne højopløsningsbilleder med en meget kohærent elektronstråle.

Holdet har til hensigt at fortsætte deres forskning i denne mystiske organisme og dens metode til at omdanne lys til kemisk energi. De anvender også den samme teknik til at undersøge andre biologiske makromolekyler. "Vi udfører højopløsnings enkelt-partikel kryogen elektronmikroskopi af andre biologisk vigtige mål, " siger Yonekura.