Недавние данные показывают, что истоки фотосинтеза можно найти в глубоководных гидротермальных жерлах, где микробы эволюционировали для получения энергии из выбрасываемых сероводорода и метановых газов. Эти микробы способны окислять сульфиды и другие газы и использовать их в качестве доноров электронов для получения энергии.
В отличие от многих микроводорослей и растений, которые используют воду только в качестве донора электронов для фотосинтеза, пурпурные бактерии, такие как Rhodobacter capsulatus, могут переключаться между источниками энергии (свет или геотермальное излучение) и различными донорами электронов в зависимости от окружающей среды.. Для этого бактерия должна тщательно контролировать синтез белков переноса электронов в ответ на изменение условий. Однако точные механизмы, используемые R. capsulatus для восприятия и использования сероводорода, неясны.
Теперь Такаюки Симидзу и Синдзи Масуда из Токийского технологического института в сотрудничестве с Дэвидом П. Гедроком и Карлом Э. Бауэром из Университета Индианы и исследователями из Японии и США обнаружили и охарактеризовали чувствительный к сульфидам белок, или репрессор транскрипции, названный SqrR, и описал механизм, с помощью которого он отвечает на сульфиды. Полученные данные проливают свет на процессы донорства электронов в ранней эволюции фотосинтеза.
Команда изучила ответы белков и генов у R. capsulatus. Генетический скрининг идентифицировал SqrR и показал, что он действует как сенсор для активных сульфидных частиц внутри клеток. SqrR также регулирует около 45% генов, ответственных за сульфид-зависимый фотосинтез у R.капсула. По-видимому, когда сульфиды в окружающей среде увеличиваются, SqrR реагирует, связываясь с молекулами сульфидов, тем самым подавляя фотосинтетический перенос электронов, так что бактерия может пережить сульфидный стресс. Таким образом, SqrR помогает поддерживать гомеостаз сульфидов в быстро меняющихся условиях.
Обнаружение основного регулятора гена, такого как SqrR, позволит ученым более глубоко изучить фотосинтез и определить, как бактерии эволюционировали, чтобы выжить в различных средах. Выводы также могут найти применение в синтетической биологии.
Фон
Бактериальный фотосинтез
Пурпурные бактерии уже давно используются учеными для исследования фундаментального процесса фотосинтеза именно потому, что они адаптировались на протяжении тысячелетий, чтобы быстро реагировать на многочисленные стрессовые факторы окружающей среды и выживать. Способность бактерий, таких как R. capsulatus, использовать различные доноры электронов, включая газообразный водород, метан и сероводород, и переключаться между различными источниками излучения (световыми или геотермальными) представляет большой интерес для исследователей, особенно для тех, кто занимается синтетической биологией.
Достижения в области генетического скрининга теперь позволяют понять точные молекулярные механизмы, контролирующие фотосинтез. В то время как ферменты, участвующие в фотосинтезе пурпурных бактерий, уже были охарактеризованы, работа Такаюки Симидзу и его команды основана на понимании того, как R. capsulatus ощущает сульфиды в своем окружении и действует либо для использования, либо для защиты от потенциально токсичные молекулы.
Тщательно отслеживая и регулируя гены, которые облегчают перенос электронов в сульфид-зависимом фотосинтезе, SqrR может помочь бактериям пережить сульфидный стресс. Дальнейшие исследования прояснят процессы, которые позволяют бактериям переключаться между различными донорами электронов, и то, как компоненты внутри клеток R. capsulatus синхронизируются в ответ на их непосредственное окружение.
Последствия текущего исследования
Открытие основного гена-супрессора для R. capsulatus может позволить дальнейшие исследования ранней эволюции фотосинтеза, а также может дать информацию для приложений в синтетической биологии.