Ученые раскрыли клеточный процесс, стоящий за производством кислорода

Согласно новому исследованию, количество кислорода в одном из этих 10 вдохов стало возможным благодаря недавно выявленному клеточному механизму, который способствует фотосинтезу в морском фитопланктоне. Исследование было опубликованное в журнале Current Biology.

Этот ранее неизвестный процесс, названный группой исследователей из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего «новаторским», составляет от 7% до 25% всего производимого кислорода и фиксируемого в океане углерода. Рассматривая также фотосинтез, происходящий на суше, исследователи подсчитали, что этот механизм может быть ответственным за производство до 12% кислорода на всей планете.

Ученые давно осознали значение фитопланктона — микроскопических организмов, дрейфующих в водной среде, — благодаря их способности к фотосинтезу. Эти крошечные океанические водоросли составляют основу водной пищевой сети и, по оценкам, производят около 50% кислорода на Земле.

Новое исследование определяет, как фермент, перекачивающий протоны (известный как VHA), помогает в глобальном производстве кислорода и фиксации углерода фитопланктоном.

«Это исследование представляет собой прорыв в нашем понимании морского фитопланктона. За миллионы лет эволюции эти маленькие клетки в океане проводят мельчайшие химические реакции, в частности, для создания этого механизма, усиливающего фотосинтез, который сформировал траекторию жизни на этой планете», — сказал ведущий автор исследования Дэниел Йи.

Йи в контакте с другими учеными разгадал сложную внутреннюю работу определенной группы фитопланктона, известной как диатомовые водоросли, известные как одноклеточные водоросли. для их декоративных клеточных стенок из кремнезема.

Предыдущие исследования в лаборатории Tresguerres были направлены на то, чтобы определить, как VHA используется различными организмами в процессах, имеющих решающее значение для жизни в океанах. Этот фермент встречается почти во всех формах жизни, от человека до одноклеточных водорослей, и его основная роль заключается в изменении уровня pH окружающей среды.

«Мы представляем белки в виде блоков Lego», — объяснил Тресгеррес, соавтор исследования. «Белки всегда делают одно и то же, но в зависимости от того, с какими другими белками они сочетаются, они могут выполнять совершенно разные функции».

У людей фермент помогает почкам регулировать функции крови и мочи. Гигантские моллюски используют фермент для растворения коралловых рифов, где они выделяют кислоту, которая проделывает отверстия в рифе, чтобы укрыться.

Кораллы используют этот фермент для стимулирования фотосинтеза своих симбиотических водорослей, в то время как глубоководные черви, известные как Osedax, используют его для растворения костей морских млекопитающих, таких как киты, чтобы они могли их съесть. Фермент также присутствует в жабрах акул и скатов, где он является частью механизма, регулирующего химический состав крови. А в рыбьих глазах протонная помпа помогает доставлять кислород, улучшающий зрение.

Глядя на это предыдущее исследование, Йи задался вопросом, как фермент VHA используется в фитопланктоне. Он решил ответить на этот вопрос, объединив высокотехнологичные методы микроскопии в лаборатории Тресгерреса и генетические инструменты, разработанные в лаборатории покойного ученого Скриппса Марка Хильдебранда, который был ведущим экспертом по диатомовым водорослям и одним из соконсультантов Йи.

Используя эти инструменты, он смог пометить протонный насос флуоресцентной зеленой меткой и точно определить его местонахождение вокруг хлоропластов, известных как «органеллы» или специализированные структуры в клетках диатомовых водорослей. Хлоропласты диатомовых водорослей окружены дополнительной мембраной по сравнению с другими водорослями, окутывающей пространство, где углекислый газ и световая энергия преобразуются в органические соединения и выделяются в виде кислорода.

«Мы смогли создать эти изображения, которые показывают интересующий белок и то, где он находится внутри клетки со многими мембранами», — сказал Йи. «В сочетании с подробными экспериментами по количественной оценке фотосинтеза мы обнаружили, что этот белок на самом деле способствует фотосинтезу, доставляя больше углекислого газа, который хлоропласт использует для производства более сложных молекул углерода, таких как сахара, а также производит больше кислорода в качестве побочного эффекта».

Как только основной механизм был установлен, команда смогла связать его с несколькими аспектами эволюции. Диатомовые водоросли произошли от симбиотического события между простейшими и водорослями около 250 миллионов лет назад, которое завершилось слиянием двух организмов в один, известным как симбиогенез.

Авторы подчеркивают, что процесс поглощения одной клеткой другой, известный как фагоцитоз, широко распространен в природе. Фагоцитоз зависит от протонного насоса, который переваривает клетку, которая служит источником пищи. Однако в случае с диатомовыми водорослями произошло нечто особенное, когда съеденная клетка не переварилась полностью.

«Вместо того, чтобы одна клетка переваривала другую, подкисление, вызванное протонным насосом хищника, в конечном итоге способствовало фотосинтезу проглоченной добычи», — сказал Тресгеррес. «В ходе эволюции эти два отдельных организма слились в один, образовав то, что мы сейчас называем диатомовыми водорослями».

Не у всех водорослей есть этот механизм, поэтому авторы считают, что этот протонный насос дал диатомовым водорослям преимущество в фотосинтезе. Они также отмечают, что когда 250 миллионов лет назад возникли диатомовые водоросли, в атмосфере произошло значительное увеличение содержания кислорода, и недавно открытый механизм у водорослей мог сыграть в этом свою роль.

Считается, что большая часть ископаемого топлива, добываемого из-под земли, возникла в результате трансформации биомассы, которая опустилась на дно океана, включая диатомовые водоросли, в течение миллионов лет, что привело к образованию запасов нефти.

Исследователи надеются, что их исследование может стать источником вдохновения для биотехнологических подходов к улучшению фотосинтеза, секвестрации углерода и производству биодизельного топлива. Кроме того, они считают, что это будет способствовать лучшему пониманию глобальных биогеохимических циклов, экологических взаимодействий и последствий колебаний окружающей среды, таких как изменение климата.

«Это одно из самых захватывающих исследований в области симбиоза за последние десятилетия, и оно окажет большое влияние на будущие исследования во всем мире», — сказал Тресгеррес.