science >> Wetenschap >  >> Chemie

Unieke pigmenten in fotosynthetische mariene bacterie onthullen hoe het leeft bij weinig licht

Figuur 1:Een cryo-elektronenmicroscopiedichtheidskaart van Acaryochloris jachthaven fotosysteem I onthult structurele elementen die het mogelijk maken om laag-energetisch licht om te zetten in chemische energie. Krediet:gewijzigd van Ref. 1 en gelicentieerd onder CC BY 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/] © 2021 T. Hamaguchi, K. Kawakami et al .

Een structurele analyse met hoge resolutie door RIKEN-biochemici van fotosysteem I, dat chlorofyl d en feofytine a bevat, de lichtabsorberende pigmenten in een mariene bacterie, zou wetenschappers kunnen helpen ontdekken hoe de microbe overleeft in de energiezuinige lichtomstandigheden van de diepzee.

Bij fotosynthese, planten, algen en sommige bacteriën gebruiken energie uit zonlicht om zuurstof en koolhydraten te maken uit koolstofdioxide en water. chlorofyl, het pigment dat verantwoordelijk is voor het geven van hun groene kleur aan planten, speelt een belangrijke rol bij het absorberen van zonlicht en het omzetten ervan in een bruikbare vorm van chemische energie.

Vroeger geloofden wetenschappers dat fotosysteem I, het membraaneiwitcomplex dat aanwezig is in alle aerobe organismen, gebruikte een vorm van chlorofyl genaamd chlorofyl a voor fotosynthese. Maar dat veranderde toen in de jaren negentig een mariene cyanobacterie werd ontdekt die een andere vorm van chlorofyl gebruikt; Acaryochloris marina gebruikt chlorofyl d om verrode golflengten van licht te benutten, waarvan de energie voorheen als te laag werd beschouwd om bruikbaar te zijn voor typische organismen.

"Hoe A. marina energiezuinig licht gebruikt voor fotosynthese is al lang een vraag, " merkt Koji Yonekura op, die de Biostructural Mechanism Group leidt in het RIKEN SPring-8 Center.

Nutsvoorzieningen, Tasuku Hamaguchi, Keisuke Kawakami, Yonekura en hun collega's hebben licht op deze vraag geworpen door de structuur van het fotosysteem I-reactiecentrum te analyseren - het deel van chlorofyl dat zonlicht omzet in een vorm van chemische energie die kan worden gebruikt door de rest van de fotosynthesemachine - van chlorofyl d in A. jachthaven (Fig. 1). Ze realiseerden dit door cryo-elektronenmicroscopie te gebruiken met een hogere resolutie dan eerder is toegepast om naar deze eiwitcomplexen te kijken.

De analyse van de onderzoekers onthulde dat een van de lichtoogstende pigmenten feophytine a is, een metaalvrij chloor dat verschilt van andere type I reactiecentra. Deze voortreffelijke combinatie van feofytine a en chlorofyl d helpt bij het verklaren van enkele manieren waarop de cyanobacterie de lage energie van verrood licht efficiënt kan benutten voor fotosynthese.

De bevindingen van het team kunnen ons helpen beter te begrijpen hoe fotosynthetische organismen kunnen overleven in omgevingen met extreem weinig licht, zowel hier op aarde als mogelijk daarbuiten. A. marina is te vinden in gebieden met extreem weinig licht in de oceaan, en het is mogelijk dat leven buiten de aarde zou kunnen bestaan ​​in vergelijkbare omgevingen met weinig licht.

De onderzoekers realiseerden de ongekende resolutie in dit onderzoek door een cryogene elektronenmicroscopie te gebruiken die superieure beelden met een hoge resolutie produceerde met een zeer coherente elektronenstraal.

Het team is van plan hun onderzoek naar dit mysterieuze organisme en zijn methode om licht om te zetten in chemische energie voort te zetten. Ze passen dezelfde techniek ook toe om andere biologische macromoleculen te onderzoeken. "We voeren cryogene elektronenmicroscopie met een hoge resolutie uit met een hoge resolutie van andere biologisch belangrijke doelen, ' zegt Yonekura.