Nya rön i mikrober som kallas cyanobakterier ger nya möjligheter för växtvetenskap, bioteknik och miljöskydd

Forskare från Michigan State University och kollegor vid University of California Berkeley, University of South Bohemia och Lawrence Berkeley National Laboratory har hjälpt till att avslöja den mest detaljerade bilden hittills av viktiga biologiska "antenner."

Naturen har utvecklat dessa strukturer för att utnyttja solens energi genom fotosyntes, men dessa solljusmottagare tillhör inte växter. De finns i mikrober som kallas cyanobakterier, de evolutionära ättlingarna till de första organismerna på jorden som kan ta solljus, vatten och koldioxid och omvandla dem till socker och syre.

Publicerad 31 augusti i tidskriften Nature , upptäckten kastar omedelbart nytt ljus på mikrobiell fotosyntes - specifikt hur ljusenergi fångas och skickas dit det behövs för att driva omvandlingen av koldioxid till sockerarter. Framöver kan insikterna också hjälpa forskare att åtgärda skadliga bakterier i miljön, utveckla artificiella fotosyntetiska system för förnybar energi och värva mikrober i hållbar tillverkning som börjar med råvarorna koldioxid och solljus.

"Det finns ett stort intresse för att använda cyanobakterier som soldrivna fabriker som fångar solljus och omvandlar det till en slags energi som kan användas för att göra viktiga produkter", säger Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor i strukturell bioteknik vid College of Natural Vetenskap. "Med en ritning som den vi har tillhandahållit i den här studien kan du börja fundera på att ställa in och optimera ljusupptagningskomponenten i fotosyntesen."

"När du ser hur något fungerar har du en bättre uppfattning om hur du kan modifiera det och manipulera det. Det är en stor fördel", säger Markus Sutter, senior forskarassistent vid Kerfeld Lab, som är verksamt vid MSU och Berkeley Lab i Kalifornien.

De cyanobakteriella antennstrukturerna, som kallas fykobilisomer, är komplexa samlingar av pigment och proteiner, som sätts samman till relativt massiva komplex.

I decennier har forskare arbetat med att visualisera de olika byggstenarna i fykobilisomer för att försöka förstå hur de sätts ihop. Phycobilisomes är ömtåliga, vilket kräver detta styckevisa tillvägagångssätt. Historiskt sett har forskare inte lyckats få de högupplösta bilderna av intakta antenner som behövs för att förstå hur de fångar och leder ljusenergi.

Nu, tack vare ett internationellt team av experter och framsteg inom en teknik som kallas kryoelektronmikroskopi, är strukturen hos en cyanobakteriell ljusupptagningsantenn tillgänglig med nästan atomär upplösning. Teamet inkluderade forskare från MSU, Berkeley Lab, University of California, Berkeley och University of South Bohemia i Tjeckien.

"Vi hade turen att vara ett team bestående av personer med kompletterande expertis, människor som fungerade bra tillsammans", säger Kerfeld, som också är medlem i MSU-DOE Plant Research Laboratory, som stöds av U.S. Department of Energy. "Gruppen hade rätt kemi."

'En lång resa full av trevliga överraskningar'

"Detta arbete är ett genombrott inom fotosyntesområdet", säger Paul Sauer, postdoktor vid professor Eva Nogales kryogena elektronmikroskopi vid Berkeley Lab och UC Berkeley.

"Den kompletta ljusupptagningsstrukturen för en cyanobakteries antenn har saknats tills nu," sa Sauer. "Vår upptäckt hjälper oss att förstå hur evolutionen kom fram till sätt att förvandla koldioxid och ljus till syre och socker i bakterier, långt innan några växter fanns på vår planet."

Tillsammans med Kerfeld är Sauer en motsvarande författare till den nya artikeln. Teamet dokumenterade flera anmärkningsvärda resultat, inklusive att hitta ett nytt phycobilisome protein och observera två nya sätt som phycobilisome orienterar sina ljusfångande stavar som inte hade lösts tidigare.

"Det är 12 sidor av upptäckter", sa María Agustina Domínguez-Martín från Naturen Rapportera. Som postdoktor vid Kerfeld Lab, initierade Domínguez-Martín studien vid MSU och slutförde den vid Berkeley Lab. Hon är för närvarande vid University of Cordoba i Spanien som en del av Marie Skłowdoska-Curie Postdoctoral Fellowship. "Det har varit en lång resa full av trevliga överraskningar."

En överraskning kom till exempel in hur ett relativt litet protein kan fungera som ett överspänningsskydd för den massiva antennen. Innan detta arbete visste forskarna att phycobilisome kunde korral molekyler som kallas orange karotenoidproteiner, eller OCPs, när phycobilisome hade absorberat för mycket solljus. OCP:erna frigör överskottsenergin som värme, vilket skyddar en cyanobakteries fotosyntetiska system från att brinna upp.

Fram till nu har det varit debatt om hur många OCP:er phycobilisome kunde binda och var dessa bindningsställen var. Den nya forskningen svarar på dessa grundläggande frågor och erbjuder potentiellt praktiska insikter.

Denna typ av överspänningsskyddande system - som kallas fotoskydd och har analoger i växtvärlden - tenderar naturligtvis att vara slösaktigt. Cyanobakterier är långsamma med att stänga av sitt fotoskydd efter att de har gjort sitt jobb. Nu, med den fullständiga bilden av hur överspänningsskyddet fungerar, kan forskare designa sätt att konstruera "smart", mindre slösaktigt fotoskydd, sa Kerfeld.

Och trots att de hjälper till att göra planeten beboelig för människor och otaliga andra organismer som behöver syre för att överleva, har cyanobakterier en mörk sida. Cyanobakterier som blommar i sjöar, dammar och reservoarer kan producera gifter som är dödliga för inhemska ekosystem såväl som människor och deras husdjur. Att ha en ritning av hur bakterierna inte bara samlar in solens energi utan också skyddar sig mot för mycket av den kan inspirera till nya idéer för att attackera skadliga blomningar.

Utöver de nya svaren och potentiella tillämpningar som detta arbete erbjuder, är forskarna också entusiastiska över de nya frågor det väcker och den forskning som det kan inspirera.

"Om du tänker på det här som Legos kan du fortsätta bygga upp, eller hur? Proteinerna och pigmenten är som block som gör phycobilisome, men då är det en del av fotosystemet, som finns i cellmembranet, som är en del av hela cellen. ", sa Sutter. "Vi klättrar uppför skalans steg på sätt och vis. Vi har hittat något nytt på vår trappa, men vi kan inte säga att vi har löst systemet."

"Vi har svarat på några frågor, men vi har öppnat dörrarna för andra och för mig är det det som gör det till ett genombrott," sa Domínguez-Martín. "Jag är spänd på att se hur området utvecklas härifrån." + Utforska vidare

Orange är det nya "blocket":Struktur avslöjar nyckelfunktioner som hjälper till att blockera överskottsljusabsorption under fotosyntes