Два новых исследования зеленых водорослей - бича владельцев плавательных бассейнов и пресноводных прудов - выявили новое понимание того, как эти организмы перекачивают углекислый газ из воздуха для использования в фотосинтезе, ключевом факторе их способности расти настолько быстро. Понимание этого процесса может когда-нибудь помочь исследователям улучшить скорость роста таких культур, как пшеница и рис.
В исследованиях, опубликованных на этой неделе в журнале Cell, команда под руководством Принстона сообщила о первой подробной инвентаризации клеточного механизма, расположенного в органелле, известной как пиреноид, который используется водорослями для сбора и концентрации углекислого газа. Исследователи также обнаружили, что пиреноид, который долгое время считался твердой структурой, на самом деле ведет себя как капля жидкости, которая может растворяться в окружающей клеточной среде при делении клеток водорослей.
«Понимание того, как водоросли могут концентрировать углекислый газ, является ключевым шагом на пути к цели улучшения фотосинтеза в других растениях», - сказал Мартин Йоникас, доцент кафедры молекулярной биологии в Принстоне и руководитель исследований, в которых участвовали сотрудники из Институт биохимии Макса Планка в Германии и Институт науки Карнеги в кампусе Стэнфордского университета. «Если бы мы могли создать другие культуры для концентрации углерода, мы могли бы удовлетворить растущий мировой спрос на продукты питания», - сказал Йоникас.
Водные водоросли и несколько других растений разработали механизмы концентрации углерода, которые повышают скорость фотосинтеза, процесса, посредством которого растения превращают углекислый газ и солнечный свет в сахара для роста. Все растения используют фермент Rubisco, чтобы «преобразовать» углекислый газ в сахар, который может быть использован или сохранен растением.
У водорослей есть преимущество перед многими наземными растениями, потому что они объединяют ферменты Рубиско внутри пиреноидов, где ферменты сталкиваются с высокими концентрациями углекислого газа, поступающего из воздуха. Наличие большего количества углекислого газа позволяет ферментам Rubisco работать быстрее.
В первом из двух исследований, опубликованных на этой неделе, исследователи провели масштабный поиск белков, участвующих в механизме концентрации углерода у вида водорослей, известного как Chlamydomonas reinhardtii. Используя методы, разработанные исследователями для быстрой маркировки и оценки белков водорослей, исследователи определили расположение и функции каждого белка, подробно описав физические взаимодействия между белками для создания пиреноидного «интерактома».
Поиск выявил 89 новых пиреноидных белков, в том числе те, которые, по мнению исследователей, вводят углерод в пиреноиды, и другие, которые необходимы для образования пиреноидов. Они также идентифицировали три ранее неизвестных слоя пиреноида, которые окружают органеллу подобно слоям луковицы. «Эта информация представляет собой наилучшую оценку того, как организован этот важный механизм концентрации углерода, и предлагает новые возможности для изучения того, как он работает», - сказал Люк Маккиндер, первый автор исследования и бывший научный сотрудник Института Карнеги, который сейчас возглавляет исследовательскую группу. группа исследователей из Йоркского университета, Великобритания
Во втором исследовании исследователи сообщают, что пиреноид, который долгое время считался твердой структурой, на самом деле похож на жидкость. Методы, использованные в предыдущих исследованиях, требовали от исследователей уничтожения и химического сохранения водорослей перед их визуализацией. В этом новом исследовании исследователи изобразили водоросли в то время, когда организмы были живы, используя желтый флуоресцентный белок для маркировки Rubisco..
Во время наблюдения за водорослями Элизабет Фриман Розенцвейг, в то время аспирантка Института Карнеги, и Маккиндер использовали мощный лазер, чтобы разрушить флуоресцентную этикетку на Rubisco в половине пиреноида, оставив этикетку в другой половине. пиреноиды не повреждены. В течение нескольких минут флуоресценция перераспределилась на весь пиреноид, показывая, что ферменты легко перемещаются, как в жидкости.
Бенджамин Энгель, исследователь с докторской степенью и руководитель проекта в Институте биохимии Макса Планка, дополнительно изучил это открытие, используя другой метод визуализации, называемый криоэлектронной томографией. Он заморозил и подготовил целые клетки водорослей, а затем визуализировал их с помощью электронного микроскопа, который настолько чувствителен, что может различать структуры отдельных молекул.
Техника позволила Энгелю визуализировать пиреноид в трех измерениях и с нанометровым разрешением. Сравнив эти изображения с изображениями жидких систем, исследователи подтвердили, что пиреноиды организованы подобно жидкости. «Это один из редких примеров, когда классическая генетика, клеточная биология и подходы к визуализации с высоким разрешением были объединены в одном исследовании», - сказал Энгель.
Исследование позволило команде выяснить, как пиреноиды передаются следующему поколению, когда одноклеточные водоросли делятся на две дочерние клетки. Фриман Розенцвейг отметил, что иногда пиреноид не может делиться, в результате чего одна из дочерних клеток остается без пиреноида.
Используя флуоресцентные белки, команда обнаружила, что клетка, которая не смогла получить половину пиреноида, все еще могла спонтанно образовать его. Они обнаружили, что каждая дочерняя клетка получает некоторое количество пиреноида в растворенной форме и что эти почти неопределяемые компоненты могут конденсироваться в полноценный пиреноид.
«Мы считаем, что растворение пиреноидов перед клеточным делением и конденсация после деления могут быть дублирующим механизмом, гарантирующим, что обе дочерние клетки получат пиреноиды», - сказал Йоникас. «Таким образом, обе дочерние клетки будут иметь эту ключевую органеллу, которая имеет решающее значение для ассимиляции углерода».
Для дальнейшего изучения того, как это может произойти, Джоникас сотрудничал с Недом Вингрином, профессором наук о жизни и молекулярной биологии Говарда А. Приора из Принстона. Уингрин и его команда создали компьютерную симуляцию взаимодействия между Rubisco и другим белком, называемым EPYC1, который, как обнаружил Макиндер и другие члены команды Джоникаса, имеет решающее значение для пиреноидов, и который действует как клей, чтобы склеить несколько Rubisco.
Компьютерное моделирование показало, что состояние пиреноида - будь то конденсированная капля жидкости или растворенный в окружающем компартменте - зависит от количества сайтов связывания на EPYC1. В моделировании у Rubisco есть восемь сайтов связывания или восемь мест, где EPYC1 может стыковаться с Rubisco. Если EPYC1 имеет четыре сайта связывания, то два EPYC1 в точности заполняют все сайты стыковки на одном Rubisco, и наоборот. Поскольку эти полностью связанные комплексы Rubisco-EPYC1 малы, они образуют растворенное состояние. Но если EPYC1 имеет три или пять сайтов связывания, он не может заполнить все сайты Rubisco, и на Rubisco есть открытые сайты для связывания дополнительными EPYC1, у которых также есть свободные сайты, которые могут привлечь другие Rubisco. В результате получается комок Rubiscos и EPYC1, которые образуют жидкую каплю.
Изменение фазы системы в зависимости от соотношения сайтов связывания EPYC1 и Rubisco можно рассматривать как эффект «магического числа» - термин, обычно используемый в физике для описания условий, при которых определенное количество частиц образует необычайно стабильную государство.«Эти магические числа, помимо того, что они имеют отношение к пиреноидным системам, могут иметь некоторое значение в области физики полимеров и потенциально в синтетической биологии», - сказал Уингрин.
Вингрин и Йоникас продолжают свое сотрудничество и надеются развивать проект как теоретически, исследуя различные возможности и конфигурации Rubisco и EPYC1, так и экспериментально, комбинируя два белка в пробирке и манипулируя количеством связываний. сайты.
«Раньше считалось, что чем больше у них сайтов связывания, тем больше белков склонны к кластеризации», - сказал Йоникас. «Открытие того, что существует эффект магического числа, важно не только для пиреноидов, но, возможно, и для многих других жидкоподобных органелл, встречающихся в природе».
Благодаря дополнительным исследованиям эти результаты могут дать важную информацию о том, как обеспечить доступность быстрорастущих культур для растущего населения мира.