Ilustrace tylakoidní membrány sinic. Kredit: Luning Liu et al.
Nová studie provedená výzkumníky z Liverpoolské univerzity odhaluje, jak starověké fotosyntetické organismy – sinice – vyvíjejí své fotosyntetické stroje a organizují svou fotosyntetickou membránovou architekturu pro efektivní zachycení slunečního světla a transdukci energie.
Kyslíková fotosyntéza, kterou provádějí rostliny, řasy a sinice, produkuje energii a kyslík pro život na Zemi a je pravděpodobně nejdůležitějším biologickým procesem. Sinice patří mezi první fototrofy, které mohou provádět kyslíkovou fotosyntézu a významně přispívají k zemské atmosféře a primární produkci.
Fotosyntetické reakce závislé na světle jsou prováděny sadou fotosyntetických komplexů a molekul uložených ve specializovaných buněčných membránách, nazývaných tylakoidní membrány. Zatímco některé studie uvádějí struktury fotosyntetických komplexů a způsob, jakým provádějí fotosyntézu, vědci stále jen málo rozuměli tomu, jak jsou nativní tylakoidní membrány stavěny a dále vyvíjeny, aby se staly funkční entitou v buňkách sinic.
Výzkumný tým, vedený profesorem Luningem Liuem z Univerzitního institutu systémů, molekulární a integrativní biologie, vyvinul metodu kontroly tvorby thylakoidních membrán během buněčného růstu a k charakterizaci buněk použil nejmodernější proteomiku a mikroskopické zobrazování. postupný proces zrání thylakoidních membrán. Jejich výsledky jsou publikovány v časopise Přírodní komunikace.
"Jsme opravdu nadšeni nálezy," řekl profesor Liu. "Náš výzkum kreslí obrázek o tom, jak fototrofy generují a následně vyvíjejí své fotosyntetické membrány a jak jsou různé fotosyntetické složky začleněny a umístěny v thylakoidní membráně, aby prováděly účinnou fotosyntézu - dlouhodobá otázka v této oblasti."
První autor studie, Dr. Tuomas Huokko, řekl: „Zjistili jsme, že nově syntetizované tylakoidní membrány se objevují mezi periferní buněčnou membránou, nazývanou plazmatická membrána, a již existující vrstvou tylakoidů. Detekcí proteinových kompozic a fotosyntetických aktivit během procesu vývoje thylakoidů také zjistíme, že fotosyntetické proteiny jsou dobře řízeny v prostoru a čase, aby se vyvíjely a sestavovaly do thylakoidních membrán.
Nový výzkum ukazuje, že thylakoidní membrána sinic je skutečně dynamickým biologickým systémem a dokáže se rychle přizpůsobit změnám prostředí během růstu bakterií. V thylakoidech mohou fotosyntetické proteiny difundovat z jedné pozice do druhé a vytvářet funkční „proteinové ostrovy“, aby spolupracovaly na vysoké fotosyntetické účinnosti.
„Vzhledem k tomu, že sinice provádějí fotosyntézu podobnou rostlině, lze poznatky získané z thylakoidních membrán sinic rozšířit na rostlinné thylakoidy,“ dodal profesor Liu. „Pochopení toho, jak se přirozený fotosyntetický aparát vyvíjí a reguluje ve fototrofech, je zásadní pro vyladění a zvýšení výkonu fotosyntézy. To nabízí řešení pro udržitelné zlepšení fotosyntézy plodin a výnosů v souvislosti se změnou klimatu a rostoucí populací. Náš výzkum může také těžit z bioinspirovaného designu a vytváření umělých fotosyntetických zařízení pro účinný přenos elektronů a produkci bioenergie.
Reference: „Probing the biogenesis pathway and dynamics of thylakoid membráns“ od Tuomase Huokka, Tao Ni, Gregoryho F. Dykese, Deborah M. Simpson, Philipa Brownridge, Fabiana D. Conradiho, Roberta J. Beynona, Petera J. Nixona, Conrada W. Mullineaux, Peijun Zhang a Lu-Ning Liu, 9. června 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-23680-1
Výzkum byl proveden ve spolupráci s univerzitním Centrem pro výzkum proteomu, Centrem pro zobrazování buněk a jednotkou biomedicínské elektronové mikroskopie a také s výzkumníky z University of Oxford, Queen Mary University of London a Imperial College London. Výzkum byl financován BBSRC, Royal Society, Wellcome Trust a Leverhulme Trust.
