A cianobaktérium tilakoid membrán illusztrációja. Köszönetnyilvánítás: Luning Liu et al.
A Liverpooli Egyetem kutatói által végzett új tanulmány feltárja, hogy az ősi fotoszintetikus organizmusok – a cianobaktériumok – hogyan fejlesztik fotoszintetikus gépezetüket, és hogyan szervezik meg fotoszintetikus membránszerkezetüket a napfény és az energiatranszdukció hatékony rögzítése érdekében.
A növények, algák és cianobaktériumok által végrehajtott oxigénes fotoszintézis energiát és oxigént termel a földi élethez, és vitathatatlanul a legfontosabb biológiai folyamat. A cianobaktériumok a legkorábbi fototrófok közé tartoznak, amelyek képesek oxigénes fotoszintézist végrehajtani, és jelentős mértékben hozzájárulnak a Föld légköréhez és elsődleges termeléséhez.
A fényfüggő fotoszintetikus reakciókat a speciális sejtmembránokban, úgynevezett tilakoid membránokban elhelyezkedő fotoszintetikus komplexek és molekulák sorozata hajtja végre. Míg egyes tanulmányok beszámoltak a fotoszintetikus komplexek szerkezetéről és arról, hogyan hajtják végre a fotoszintézist, a kutatóknak még mindig nem sok ismerete volt arról, hogyan épülnek fel és fejlődnek tovább a natív tilakoid membránok, hogy funkcionális egységgé váljanak a cianobaktérium sejtekben.
A kutatócsoport Luning Liu professzor vezetésével, az Egyetem Rendszer-, Molekuláris és Integratív Biológiai Intézetéből kifejlesztett egy módszert a tilakoid membránok sejtnövekedés során történő kialakulásának szabályozására, és a legmodernebb proteomika és mikroszkópos képalkotás segítségével jellemezte a sejtnövekedést. tilakoid membránok lépcsőzetes érési folyamata. Eredményeiket a folyóiratban teszik közzé Nature Communications.
"Nagyon izgatottak vagyunk az eredmények miatt" - mondta Liu professzor. „Kutatásunk képet ad arról, hogy a fototrófok hogyan generálják, majd fejlesztik ki fotoszintetikus membránjaikat, és hogyan épülnek be és helyezkednek el a tilakoid membránba a különböző fotoszintetikus komponensek a hatékony fotoszintézis érdekében – ez egy régóta fennálló kérdés ezen a területen.”
A tanulmány első szerzője, Dr. Tuomas Huokko a következőket mondta: „Azt találtuk, hogy az újonnan szintetizált tilakoid membránok a perifériás sejtmembrán, az úgynevezett plazmamembrán, és a már meglévő tilakoidréteg között bukkannak fel. A proteinek összetételének és fotoszintetikus aktivitásának a tilakoidfejlődési folyamat során történő kimutatásával azt is megállapítottuk, hogy a fotoszintetikus fehérjék térben és időben jól szabályozottak ahhoz, hogy fejlődjenek és összeálljanak a tilakoid membránokba.
Az új kutatás azt mutatja, hogy a cianobaktérium tilakoid membrán egy valóban dinamikus biológiai rendszer, és gyorsan képes alkalmazkodni a környezeti változásokhoz a baktériumok növekedése során. A tilakoidokban a fotoszintetikus fehérjék egyik pozícióból a másikba diffundálhatnak, és funkcionális „fehérjeszigeteket” alkothatnak, hogy együtt működjenek a magas fotoszintetikus hatékonyság érdekében.
"Mivel a cianobaktériumok növényszerű fotoszintézist hajtanak végre, a cianobaktériumok tilakoid membránjaiból szerzett ismeretek kiterjeszthetők a növényi tilakoidokra" - tette hozzá Liu professzor. „A fototrófokban a természetes fotoszintetikus gépezet fejlődésének és szabályozásának megértése létfontosságú a fotoszintetikus teljesítmény hangolásához és fokozásához. Ez megoldásokat kínál a kultúrnövények fotoszintézisének és terméshozamának fenntartható javítására, az éghajlatváltozás és a növekvő népesség összefüggésében. Kutatásunk hasznos lehet a hatékony elektronátvitelt és bioenergia-termelést szolgáló mesterséges fotoszintetikus eszközök bioinspirált tervezésének és előállításának is.
Hivatkozás: "Tilakoid membránok biogenezis útvonalának és dinamikájának vizsgálata", Tuomas Huokko, Tao Ni, Gregory F. Dykes, Deborah M. Simpson, Philip Brownridge, Fabian D. Conradi, Robert J. Beynon, Peter J. Nixon, Conrad W. . Mullineaux, Peijun Zhang és Lu-Ning Liu, 9. június 2021., Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-23680-1
A kutatást az Egyetem Proteomkutatási Központjával, a Sejtképalkotási Központtal és a Biomedical Elektronmikroszkópiai Egységgel, valamint az Oxfordi Egyetem, a Londoni Queen Mary Egyetem és az Imperial College London kutatóival együttműködve végezték. A kutatást a BBSRC, a Royal Society, a Wellcome Trust és a Leverhulme Trust finanszírozta.
