Den bruna färgen på kiselalger orsakas av karotenoiden fucoxanthin som absorberar grönt ljus och överför energin till klorofyller för fotosyntes. De två nykonstruerade kiselalgermutanter med nedsatt fucoxantinbiosyntes är grönfärgade. Kredit:Martin Lohr
Kiselalger är mikroskopiska encelliga alger som förekommer i naturliga vatten över hela världen. Under fotosyntesen tar de upp stora mängder koldioxid, den primära växthusgasen som släpps ut genom mänskliga aktiviteter, och omvandlar den till biomassa. Karotenoiden fucoxanthin gör det möjligt för kiselalger att effektivt skörda den blågröna delen av solljuset för fotosyntes.
I samarbete med ett internationellt forskarlag upptäckte nu forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland hur algerna producerar detta viktiga och mycket använda pigment. Deras arbete har nyligen publicerats i en vetenskaplig artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Nya insikter om syntesen av fucoxantin
Kiselalger, som frodas i både marina och sötvattensmiljöer runt om i världen, är den mest artrika alggruppen och har uppskattats stå för upp till en femtedel av den globala fotosyntetiska koldioxidfixeringen. I motsats till de fotosyntetiskt aktiva gröna bladen på landväxter är kiselalger brunfärgade. Deras distinkta färgning orsakas av den ljusskördande karotenoiden fucoxanthin som möjliggör effektiv absorption och fotosyntetisk användning av det blågröna ljuset som råder i många vattenlevande livsmiljöer. Fucoxanthin är en av de mest förekommande karotenoiderna på jorden och en viktig drivkraft för marin fotosyntes.
Under det senaste decenniet har fucoxanthin också blivit ett föremål för ökande intresse för nutraceutiska och farmaceutiska tillämpningar. Den kemiska strukturen av fucoxanthin etablerades på 1960-talet för första gången i den vetenskapliga litteraturen redan för 150 år sedan som ett viktigt pigment i brunalger. Än så länge var det dock inte känt hur alger syntetiserar denna viktiga naturprodukt.
Forskargrupperna av Dr Martin Lohr vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), professor Graham Peers vid Colorado State University i Fort Collins, USA, och professor Xiaobo Li vid Westlake University i Hangzhou i Kina har nu avslöjat den biosyntetiska vägen för fucoxanthin i kiselalger, rapporterade i ett gemensamt manuskript publicerat i PNAS .
Med hjälp av den genetiska saxen CRISPR/Cas9 försämrade forskarna gener i kiselalgen Phaeodactylum tricornutum som kodar för proteiner med hög likhet med enzymer involverade i karotenoidbiosyntes i landväxter. Utslagningen av två av dessa kandidatenzymer resulterade i grönfärgade mutanter som saknade fucoxantin, men som istället hade ackumulerat andra karotenoider och hade en kraftigt minskad fotosyntetisk effektivitet. Den detaljerade biokemiska karakteriseringen av de nya karotenoiderna och av enzymerna som slogs ut i mutanterna gjorde det möjligt för forskarna att föreslå den fullständiga vägen till fucoxantin i kiselalger.
I de brunfärgade kiselalgerna absorberar fucoxanthin grönt ljus och överför energin till fotosyntetiska klorofyller som avger en del av denna energi som rött fluorescerande ljus (höger). Celler av den gröna mutanten saknar fucoxanthin och visar en mycket svagare klorofyllfluorescens i grönt ljus (vänster), vilket visar vikten av fucoxanthin för ljusskörd. Kredit:Martin Lohr &Christof Rickert
Syntes via en komplex väg med tidigare okända intermediärer
Vägen visade sig vara betydligt mer komplex än förväntat och omfattar tre nya karotenoidintermediärer. Baserat på bioinformatiska analyser av de nyupptäckta enzymerna och deras fördelning bland alger, kunde forskarna också visa att fucoxantinvägen utvecklades genom duplicering av gamla gener för enzymer som katalyserar bildandet av fotoskyddande karotenoider.
Som författarna förklarar tjänade karotenoider i fotosyntetiska organismer initialt som skyddsmedel under överskott av ljus. Deras senaste arbete visar att kiselalger upprepade gånger duplicerade komponenter i den enzymatiska verktygslådan som genererar dessa fotoskyddande pigment. Några av kopiorna fick nya funktioner, vilket möjliggjorde syntesen av mer komplexa karotenoider som visade sig vara särskilt väl lämpade för fotosyntetisk ljusskörd. Noterbart är att de evolutionära yngre brunalgerna saknar dessa ytterligare enzymer och de nya karotenoidmellanprodukterna. Istället verkar de använda en modifierad väg som utvecklats genom att förkorta vägen i kiselalger.
En överföring av den fullständiga biosyntesvägen för fucoxanthin till andra organismer är ännu inte möjlig. "Vi har identifierat alla intermediärer i vägen, men några av de involverade enzymerna är fortfarande okända", säger Dr. Martin Lohr från JGU:s Institute of Molecular Physiology (IMP). Författarna förväntar sig dock att deras fynd kommer att främja identifieringen av de ännu saknade enzymerna. Dessutom kommer de gröna kiselalgermutanterna att ge oöverträffade forskningsmöjligheter för en djupare förståelse av biogenes och reglering av fotosyntesapparaten i denna framstående alggrupp av särskild ekologisk betydelse. + Utforska vidare
