Naukowcy ze Stanford zidentyfikowali wiele form wszechobecnego enzymu w drobnoustrojach, które rozwijają się w regionach o niskiej zawartości tlenu wzdłuż wybrzeży Ameryki Środkowej i Południowej.
Naukowcy ze Stanford odkryli fascynującą anomalię genetyczną u pewnego rodzaju drobnoustroju, która może znacząco wpływać na magazynowanie węgla w oceanach. Drobnoustroje te, powszechnie nazywane sinicami lub cyjanobakteriami, mają dwie różne formy wszechobecnego enzymu, które rzadko występują razem w tym samym organizmie.
„To jeden z tych wspaniałych przykładów nauki, gdzie szukasz jednej rzeczy, ale w końcu znajdujesz coś innego, jeszcze lepszego” – powiedziała Anne Dekas, adiunkt nauk o systemach Ziemi w Stanford Doerr School of Sustainability and starszy autor badania z 25 listopada w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
Miliardy lat temu, na długo przed pojawieniem się roślin, cyjanobakterie wynalazły tlen fotosynteza. W procesie produkcji żywności z dwutlenku węgla i światła słonecznego szeroko rozpowszechnione drobnoustroje uwalniały tlen do powietrza, dzięki czemu atmosfera naszej planety stała się przyjazna dla różnorodnych form życia na Ziemi. „Sinice są prawdopodobnie najważniejszą formą życia na Ziemi” – powiedział Dekas. „Natlenili atmosferę Ziemi i wywołali rewolucję biologiczną”.
Specjalne sinice
Podobnie jak rośliny, sinice wykorzystują enzym zwany karboksylazą rybulozobisfosforanową (RuBisCo) do przekształcania dwutlenku węgla w biomasę. Jedno z najpowszechniejszych białek w przyrodzie, RuBisCo, występuje w kilku postaciach: Najpopularniejszy typ, znany jako forma I RuBisCo, często wykorzystuje strukturę zwaną karboksysomem, aby selektywnie reagować z dwutlenkiem węgla, ale nie z tlenem, umożliwiając wydajny przebieg fotosyntezy. Organizmy posiadające mniej powszechny typ enzymu, znany jako forma II, nie mają karboksysomu i mogą skutecznie budować biomasę z dwutlenku węgla w środowiskach, w których występuje niedobór tlenu.
Zwykle organizmy mają tylko jedną formę RuBisCo, powiedział główny autor Alex Jaffe, doktor habilitowany w dziedzinie nauk o systemach Ziemi. Dlatego był zaskoczony, gdy podczas badania wiązania węgla przez mikroorganizmy oceaniczne natrafił na wyjątek od tej reguły. Jaffe analizował DNA z próbek wody morskiej pobranych z głębokich wód u wybrzeży Ameryki Środkowej i Południowej, kiedy zauważył, że przypadkowo wśliznęły się do nich próbki DNA z płytkiej wody. Odkrył, że sinice w tych próbkach wydawały się mieć geny obu form RuBisCo. „Moja pierwsza reakcja była taka, że to prawdopodobnie błędne podejście” – powiedział Jaffe.
Dalsze badania potwierdziły, że obie formy enzymu były obecne i aktywnie wykorzystywane do fotosyntezy w sinicach żyjących w płytkiej wodzie, chociaż konieczne będą dodatkowe badania, aby zrozumieć, w jaki sposób sinice wykorzystują te dwie formy. „Posiadanie dwóch wersji” – powiedział Jaffe – „może pozwolić na usunięcie większej ilości dwutlenku węgla z wody niż w przypadku korzystania tylko z jednej z nich lub potencjalnie zrobić to nieco wydajniej”.
Wydajność może być kluczem do przetrwania tam, gdzie pochodzą próbki, w strefie minimalnej zawartości tlenu około 50 do 150 metrów pod powierzchnią, gdzie brakuje zarówno tlenu, jak i światła. „Bardzo trudno się tam żyje” – stwierdził Dekas. „W przypadku organizmu fotosyntetycznego, gdy jest mało światła, masz mało energii”.
Magazynowanie dwutlenku węgla i wyjątkowo wydajne uprawy
Odkrycia mogą pomóc naukowcom przewidzieć, jak zdolność oceanów do sekwestracji dwutlenku węgla może się zmienić w miarę rozszerzania się stref o niskiej zawartości tlenu przez zmiany klimatyczne. Odkrycie, że niektóre sinice mają obie formy RuBisCo, sugeruje, że mogą one magazynować węgiel wydajniej, niż wcześniej sądzono, i mogą rozmnażać się wraz z rozszerzaniem się stref minimalnej zawartości tlenu.
Jeśli dwa RuBisCo są w rzeczywistości lepsze niż jeden, odkrycie może również prowadzić do bardziej wydajnej produkcji roślinnej. Przez dziesięciolecia badacze próbowali opracować I RuBisCo, aby umożliwić uprawom większy wzrost przy mniejszym nawozie i wodzie. „Z niecierpliwością czekamy na dalsze rozważanie tej kwestii z ludźmi, którzy pracują po stronie inżynierii instalacji, aby sprawdzić, czy może to przynieść jakieś owoce, dosłownie i w przenośni” – powiedział Jaffe.
Odkrycia pozwoliły Jaffe’owi na nowo docenić zdolność życia do przystosowania się do trudnych warunków. „Geny te, mimo że odgrywają kluczową rolę w metabolizmie organizmów, w rzeczywistości mogą być dość elastyczne oraz można je rekonfigurować i tasować w sposób, którego się nie spodziewaliśmy” – powiedział.
Odniesienie: „Cyjanobakterie z morskich stref niedoboru tlenu kodują zarówno formę I, jak i formę II Rubiscos” autorstwa Alexandra L. Jaffe, Kaitlin Harrison, Renée Z. Wang, Leah J. Taylor-Kearney, Navami Jain, Noam Prywes, Patrick M. Shih , Jodi Young, Gabrielle Rocap i Anne E. Dekas, 25 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2418345121
Badania te zostały sfinansowane przez program Stanford Science Fellows, National Science Foundation i Simons Foundation.
