Международные исследователи, работающие в сотрудничестве с профессором Вольфгангом Р. Гессом и доктором Йенсом Георгом с биологического факультета Фрайбургского университета, обнаружили небольшую молекулу РНК, которая играет ключевую роль в том, как цианобактерии регулируют свой метаболизм количество железа, доступного в окружающей среде. Кислородный фотосинтез, при котором растения, водоросли и цианобактерии вырабатывают кислород и собирают солнечную энергию для синтеза органического вещества, - это процесс, зависящий от железа. Когда доступно только небольшое количество железа, цианобактерии способны снижать свою фотосинтетическую активность, используя то, что исследователи называют IsaR1, что означает «РНК 1, активируемая стрессом железа».«Команда исследователей опубликовала свои выводы в последнем выпуске журнала Current Biology.
В результате зависимости от железа фотосинтезирующие клетки, производящие кислород, сталкиваются с двойной дилеммой. С одной стороны, трехвалентное железо (Fe3+) и кислород имеют тенденцию вступать в реакцию друг с другом и образовывать тип ржавчины, который обычно нерастворим в богатой кислородом среде, а это означает, что полученное соединение железа нельзя использовать для метаболизма. С другой стороны, двухвалентное железо (Fe2+) может привести к образованию опасных свободных радикалов, реагируя с молекулами, присутствующими в каждой живой клетке. Таким образом, железо является важным, но потенциально опасным элементом, и клетки должны постоянно регулировать его состояние и концентрацию.
Ученым давно известно, что многие бактерии поддерживают стабильный уровень железа с помощью фактора транскрипции под названием Fur, что означает «регулятор поглощения железа». При наличии достаточного количества железа Fur связывает его. Это позволяет Fur действовать как репрессор, то есть подавлять экспрессию определенных генов. Если происходит голодание по железу, то Fur теряет связанный атом железа, что позволяет бактериям вырабатывать определенные белки, которые, например, обеспечивают усвоение железа.
При недостатке железа бактериям также приходится ингибировать экспрессию других генов, чтобы они могли остановить производство белков, особенно богатых железом и не являющихся абсолютно необходимыми для выживания в неблагоприятных условиях. Особенно это относится к аппарату оксигенного фотосинтеза, который представляет собой наиболее богатую железом надмолекулярную структуру клетки. В транскрипции информации, содержащейся в ДНК, участвуют регуляторные РНК. Одной из таких молекул РНК является IsaR1. При недостатке железа IsaR1 влияет на фотосинтетический аппарат цианобактерий тремя различными способами. Во-первых, IsaR1 ингибирует экспрессию множества белков, важных для фотосинтеза. Во-вторых, IsaR1 препятствует биохимическому пути, ведущему к производству зеленого фотосинтетического пигмента хлорофилла, который необходим в меньших количествах при дефиците железа. В-третьих, IsaR1 препятствует экспрессии белков железо-серных кластеров, которые также важны для фотосинтеза.
Что еще примечательно, так это то, что IsaR1 состоит всего из 68 нуклеотидов, в то время как гены регуляторных белков часто нуждаются в тысячах этих строительных блоков. «Обнаружение того, что такая короткая молекула РНК контролирует такой важный акклиматизационный ответ в метаболизме и, таким образом, влияет на фотосинтетический механизм на трех разных уровнях, стало большим сюрпризом», - сказал Вольфганг Хесс. Выводы группы не только дают представление о ранее неизвестной стратегии акклиматизации фотосинтезирующих цианобактерий; они также позволяют исследователям делать ключевые выводы о регуляции процессов фотосинтеза у всех «зеленых» организмов, включая растения и водоросли.
Фон: Цианобактерии
Микрофоссилии, называемые строматолитами, найденные в Австралии, показали, что фотосинтезирующие цианобактерии являются одними из древнейших форм жизни на Земле. Подобные клетки даже существовали уже более трех миллиардов лет назад. Их фотосинтетическая деятельность высвобождала кислород в атмосферу, где он накапливался на протяжении тысячелетий и в конечном итоге способствовал эволюции животных и людей. Цианобактерии, особенно обитающие в океане, продолжают играть важную роль в экологических циклах и сегодня.