Två nya studier av gröna alger – plågan för poolägare och sötvattendammar – har avslöjat nya insikter om hur dessa organismer suger upp koldioxid från luften för användning i fotosyntes, en nyckelfaktor för deras förmåga att växa så snabbt. Att förstå denna process kan en dag hjälpa forskare att förbättra tillväxthastigheten för grödor som vete och ris.

I de studier som publicerades denna vecka i tidskriften Cell , det Princeton-ledda teamet rapporterade den första detaljerade inventeringen av det cellulära maskineriet – beläget i en organell som kallas pyrenoiden – som alger använder för att samla in och koncentrera koldioxid. Forskarna fann också att pyrenoiden, länge ansett vara en solid struktur, beter sig faktiskt som en vätskedroppe som kan lösas upp i det omgivande cellmediet när algcellerna delar sig.

"Att förstå hur alger kan koncentrera koldioxid är ett viktigt steg mot målet att förbättra fotosyntesen i andra växter, sa Martin Jonikas, en biträdande professor i molekylärbiologi vid Princeton och ledare för studierna, som inkluderade medarbetare vid Max Planck Institute of Biochemistry i Tyskland och Carnegie Institution for Science på Stanford University campus. "Om vi ​​kunde konstruera andra grödor för att koncentrera kol, vi skulle kunna möta den växande världens efterfrågan på mat, sa Jonikas.

Vattenalger och en handfull andra växter har utvecklat kolkoncentreringsmekanismer som ökar fotosynteshastigheten, den process genom vilken växter omvandlar koldioxid och solljus till sockerarter för tillväxt. Alla växter använder ett enzym som kallas Rubisco för att "fixera" koldioxid till socker som kan användas eller lagras av växten.

Alger har en fördel framför många landväxter eftersom de samlar Rubisco-enzymerna inuti pyrenoiden, där enzymerna möter höga koncentrationer av koldioxid som pumpas in från luften. Att ha mer koldioxid i närheten gör att Rubisco-enzymerna kan arbeta snabbare.

I den första av de två studier som rapporterades denna vecka, forskarna genomförde en omfattande sökning efter proteiner som är involverade i kolkoncentreringsmekanismen hos en alger som kallas Chlamydomonas reinhardtii. Med hjälp av tekniker som forskarna utvecklade för att snabbt märka och utvärdera algproteiner, forskarna identifierade platserna och funktionerna för varje protein, beskriver de fysiska interaktionerna mellan proteinerna för att skapa en pyrenoid "interaktom".

Sökningen avslöjade 89 nya pyrenoidproteiner, inklusive sådana som forskarna tror leder in kol i pyrenoiden och andra som krävs för bildandet av pyrenoiden. De identifierade också tre tidigare okända lager av pyrenoiden som omger organellen som lager av en lök. "Informationen representerar den bästa bedömningen hittills av hur denna viktiga kolkoncentreringsmaskin är organiserad och föreslår nya vägar för att utforska hur det fungerar, sa Luke Mackinder, studiens första författare och en före detta postdoktor vid Carnegie Institution som nu leder ett team av forskare vid University of York, STORBRITANNIEN.

I den andra studien, forskarna rapporterar att pyrenoiden, länge ansett vara en solid struktur, är faktiskt vätskeliknande. Tekniker som användes i tidigare studier krävde att forskarna dödade och kemiskt konserverade algerna innan de avbildade dem. I denna nya studie, forskarna avbildade algerna medan organismerna levde genom att använda ett gult fluorescerande protein för att märka Rubisco.

När du observerar algerna, Elizabeth Freeman Rosenzweig, då en Carnegie Institution doktorand, och Mackinder använde en kraftfull laser för att förstöra den fluorescerande etiketten på Rubisco i hälften av pyrenoiden, medan etiketten lämnas intakt i den andra halvan av pyrenoiden. Inom några minuter, fluorescensen omfördelas till hela pyrenoiden, visar att enzymerna lätt rörde sig som de skulle göra i en vätska.

Benjamin Engel, en postdoktor och projektledare vid Max Planck Institute of Biochemistry, undersökte detta fynd ytterligare med hjälp av en annan avbildningsteknik som kallas kryo-elektrontomografi. Han frös och preparerade hela algceller och avbildade dem sedan med ett elektronmikroskop, som är så känslig att den kan lösa upp strukturerna hos enskilda molekyler.

Tekniken gjorde det möjligt för Engel att visualisera pyrenoiden i tre dimensioner och med nanometerupplösning. Genom att jämföra dessa bilder med bilder av vätskesystem, forskarna bekräftade att pyrenoiden var organiserad som en vätska. "Detta är ett av de sällsynta exemplen där klassisk genetik, cellbiologi och högupplösta avbildningsmetoder samlades i en undersökning, sa Engel.

Studien gjorde det möjligt för teamet att fråga hur en pyrenoid överförs till nästa generation när de encelliga algerna delar sig i två dotterceller. Freeman Rosenzweig noterade att pyrenoiden ibland misslyckas med att dela sig, lämnar en av dottercellerna utan pyrenoid.

Genom att använda de fluorescerande proteinerna, teamet observerade att cellen som misslyckades med att ta emot halva pyrenoiden faktiskt fortfarande kunde bilda en spontant. De fann att varje dottercell får en viss mängd av pyrenoiden i sin upplösta form och att dessa nästan odetekterbara komponenter kan kondensera till en fullfjädrad pyrenoid.

"Vi tror att pyrenoidupplösningen före celldelning och kondensation efter delning kan vara en överflödig mekanism för att säkerställa att båda dottercellerna får pyrenoider, " sa Jonikas. "På det sättet, båda dottercellerna kommer att ha denna nyckelorganell som är avgörande för att assimilera kol."

För att ytterligare utforska hur detta kan hända, Jonikas samarbetade med Ned Wingreen, Princetons Howard A. Tidigare professor i biovetenskap och molekylärbiologi. Wingreen och hans team skapade en datorsimulering av interaktionerna mellan Rubisco och ett annat protein som heter EPYC1 – upptäckt som avgörande för pyrenoiden av Mackinder och andra i Jonikas team – som fungerar som lim för att hålla ihop flera Rubiscos.

Datorsimuleringen antydde att tillståndet för pyrenoiden - oavsett om det var en kondenserad vätskedroppe eller löst i det omgivande utrymmet - berodde på antalet bindningsställen på EPYC1. I simuleringen, Rubisco har åtta bindningsställen, eller åtta platser där EPYC1 kan docka till en Rubisco. Om EPYC1 har fyra bindningsställen, sedan fyller två EPYC1:er exakt alla dockningsplatser på en Rubisco, och vice versa. Eftersom dessa helt bundna Rubisco-EPYC1-komplex är små, de bildar ett upplöst tillstånd. Men om EPYC1 har tre eller fem bindningsställen, det kan inte fylla alla Rubiscos webbplatser, och det finns öppna platser på Rubiscos för bindning av ytterligare EPYC1s, som också har gratissajter som kan locka andra Rubiscos. Resultatet är en klump av Rubiscos och EPYC1s som bildar en vätskeliknande droppe.

Förändringen i systemets fas beroende på förhållandet mellan EPYC1 och Rubisco-bindningsställen kan betraktas som en "magiskt nummer"-effekt, en term som vanligtvis används inom fysiken för att beskriva förhållanden där ett specifikt antal partiklar bildar ett ovanligt stabilt tillstånd. "Dessa magiska siffror, förutom att vara relevant för pyrenoidsystem, kan ha en viss valuta inom polymerfysik och potentiellt inom syntetisk biologi, " sa Wingreen.

Wingreen och Jonikas fortsätter sitt samarbete och hoppas kunna utveckla projektet både teoretiskt – genom att utforska olika flexibiliteter och konfigurationer av Rubisco och EPYC1 – och experimentellt, genom att kombinera de två proteinerna i ett provrör och manipulera antalet bindningsställen.

"De tidigare tankarna var att ju fler bindningsställen de har, ju mer proteinerna tenderar att klunga ihop sig, ", sa Jonikas. "Upptäckten att det finns en magisk siffereffekt är viktig inte bara för pyrenoider, men kanske för många andra vätskeliknande organeller som finns i hela naturen."

Med ytterligare studier, dessa fynd kan ge viktiga insikter om att säkerställa tillgången på snabbväxande grödor för en växande världsbefolkning.