Twee nieuwe onderzoeken naar groene algen - de plaag van zwembadeigenaren en zoetwatervijvers - hebben nieuwe inzichten onthuld in hoe deze organismen koolstofdioxide uit de lucht opzuigen voor gebruik bij fotosynthese, een sleutelfactor in hun vermogen om zo snel te groeien. Het begrijpen van dit proces kan op een dag onderzoekers helpen de groeisnelheid van gewassen zoals tarwe en rijst te verbeteren.

In de onderzoeken die deze week in het tijdschrift zijn gepubliceerd Cel , het door Princeton geleide team rapporteerde de eerste gedetailleerde inventaris van de cellulaire machinerie - gelegen in een organel dat bekend staat als de pyrenoïde - die algen gebruiken om koolstofdioxide te verzamelen en te concentreren. De onderzoekers ontdekten ook dat de pyrenoïde, lang gedacht dat het een solide structuur was, gedraagt ​​zich eigenlijk als een vloeibare druppel die kan oplossen in het omringende cellulaire medium wanneer de algencellen zich delen.

"Begrijpen hoe algen koolstofdioxide kunnen concentreren, is een belangrijke stap in de richting van het doel om de fotosynthese in andere planten te verbeteren, " zei Martin Jonikas, een assistent-professor moleculaire biologie aan Princeton en leider van de studies, waaronder medewerkers van het Max Planck Institute of Biochemistry in Duitsland en de Carnegie Institution for Science op de campus van Stanford University. "Als we andere gewassen zouden kunnen ontwikkelen om koolstof te concentreren, we de groeiende wereldvraag naar voedsel kunnen aanpakken, ' zei Jonikas.

Wateralgen en een handvol andere planten hebben koolstofconcentratiemechanismen ontwikkeld die de snelheid van fotosynthese verhogen, het proces waarbij planten koolstofdioxide en zonlicht omzetten in suikers voor groei. Alle planten gebruiken een enzym genaamd Rubisco om koolstofdioxide te "fixeren" in suiker die door de plant kan worden gebruikt of opgeslagen.

Algen hebben een voordeel ten opzichte van veel landplanten omdat ze de Rubisco-enzymen in de pyrenoïde clusteren, waar de enzymen hoge concentraties koolstofdioxide tegenkomen die uit de lucht worden gepompt. Als er meer koolstofdioxide in de buurt is, kunnen de Rubisco-enzymen sneller werken.

In de eerste van de twee studies die deze week werden gerapporteerd, de onderzoekers voerden een ingrijpende zoektocht naar eiwitten die betrokken zijn bij het koolstofconcentratiemechanisme van een algensoort die bekend staat als Chlamydomonas reinhardtii. Met behulp van technieken die de onderzoekers ontwikkelden voor het snel labelen en evalueren van algeneiwitten, de onderzoekers identificeerden de locaties en functies van elk eiwit, detaillering van de fysieke interacties tussen de eiwitten om een ​​pyrenoïde "interactoom" te creëren.

De zoektocht onthulde 89 nieuwe pyrenoïde eiwitten, waaronder die waarvan de onderzoekers denken dat ze koolstof in de pyrenoïde brengen en andere die nodig zijn voor de vorming van de pyrenoïde. Ze identificeerden ook drie voorheen onbekende lagen van de pyrenoïde die het organel omringen als de lagen van een ui. "De informatie vertegenwoordigt de beste beoordeling tot nu toe van hoe deze essentiële koolstofconcentrerende machine is georganiseerd en suggereert nieuwe wegen om te onderzoeken hoe het werkt, " zei Luke Mackinder, de eerste auteur van de studie en een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Carnegie Institution die nu een team van onderzoekers leidt aan de Universiteit van York, VK

In de tweede studie de onderzoekers melden dat de pyrenoïde, lang gedacht dat het een solide structuur was, is eigenlijk vloeistofachtig. Technieken die in eerdere studies werden gebruikt, vereisten dat de onderzoekers de algen moesten doden en chemisch bewaren voordat ze werden afgebeeld. In deze nieuwe studie de onderzoekers beeldden de algen af ​​terwijl de organismen leefden door een geel fluorescerend eiwit te gebruiken om Rubisco te labelen.

Bij het observeren van de algen, Elizabeth Freeman Rosenzweig, toen een afgestudeerde student van Carnegie Institution, en Mackinder gebruikte een krachtige laser om het fluorescerende label op Rubisco in de helft van de pyrenoïde te vernietigen, terwijl het label in de andere helft van de pyrenoïde intact blijft. Binnen enkele minuten, de fluorescentie herverdeeld over de gehele pyrenoïde, wat aantoont dat de enzymen zich gemakkelijk konden verplaatsen zoals in een vloeistof.

Benjamin Engel, een postdoctoraal onderzoeker en projectleider aan het Max Planck Institute of Biochemistry, deze bevinding verder onderzocht met behulp van een andere beeldvormingstechniek, cryo-elektronentomografie genaamd. Hij bevroor en bereidde hele algencellen voor en beeldde ze vervolgens af met een elektronenmicroscoop, dat zo gevoelig is dat het de structuren van individuele moleculen kan oplossen.

Dankzij deze techniek kon Engel de pyrenoïde in drie dimensies en met een resolutie van nanometer visualiseren. Door deze beelden te vergelijken met die van vloeibare systemen, de onderzoekers bevestigden dat de pyrenoïde was georganiseerd als een vloeistof. "Dit is een van de zeldzame voorbeelden waar klassieke genetica, celbiologie en beeldvormingsbenaderingen met hoge resolutie werden allemaal samengebracht in één onderzoek, ' zei Engel.

De studie stelde het team in staat om te vragen hoe een pyrenoïde wordt doorgegeven aan de volgende generatie wanneer de eencellige algen zich splitsen in twee dochtercellen. Freeman Rosenzweig merkte op dat de pyrenoïde soms niet deelt, een van de dochtercellen zonder pyrenoïde achterlatend.

Met behulp van de fluorescerende eiwitten, het team merkte op dat de cel die de helft van de pyrenoïde niet ontving, er in feite nog steeds spontaan een kon vormen. Ze ontdekten dat elke dochtercel een bepaalde hoeveelheid van de pyrenoïde in zijn opgeloste vorm ontvangt en dat deze bijna niet-detecteerbare componenten kunnen condenseren tot een volwaardige pyrenoïde.

"We denken dat het oplossen van pyrenoïden vóór celdeling en condensatie na deling een overbodig mechanisme kan zijn om ervoor te zorgen dat beide dochtercellen pyrenoïden krijgen, ' zei Jonikas. 'Op die manier, beide dochtercellen zullen dit sleutelorganel hebben dat essentieel is voor het assimileren van koolstof."

Om verder te onderzoeken hoe dit kan gebeuren, Jonikas werkte samen met Ned Wingreen, Howard A. Prior Professor van Princeton in de Life Sciences en Molecular Biology. Wingreen en zijn team creëerden een computersimulatie van de interacties tussen Rubisco en een ander eiwit genaamd EPYC1 - ontdekt als cruciaal voor de pyrenoïde door Mackinder en anderen in het team van Jonikas - dat werkt als lijm om meerdere Rubiscos aan elkaar te plakken.

De computersimulatie suggereerde dat de toestand van de pyrenoïde - of het nu een gecondenseerde vloeistofdruppel was of opgelost in het omringende compartiment - afhing van het aantal bindingsplaatsen op EPYC1. In de simulatie, Rubisco heeft acht bindingsplaatsen, of acht plaatsen waar EPYC1 kan aanmeren op een Rubisco. Als EPYC1 vier bindingsplaatsen heeft, dan vullen twee EPYC1's precies alle aanlegplaatsen op één Rubisco, en vice versa. Omdat deze volledig gebonden Rubisco-EPYC1-complexen klein zijn, ze vormen een opgeloste staat. Maar als EPYC1 drie of vijf bindingsplaatsen heeft, het kan niet alle Rubisco-sites vullen, en er zijn open sites op de Rubiscos voor binding door extra EPYC1's, die ook gratis sites hebben die andere Rubiscos kunnen aantrekken. Het resultaat is een klomp Rubiscos en EPYC1's die een vloeistofachtige druppel vormen.

De verandering in de fase van het systeem, afhankelijk van de verhouding van EPYC1- tot Rubisco-bindingsplaatsen, kan worden beschouwd als een "magisch getal" -effect, een term die doorgaans in de natuurkunde wordt gebruikt om omstandigheden te beschrijven waarin een bepaald aantal deeltjes een ongewoon stabiele toestand vormt. "Deze magische getallen, behalve dat ze relevant zijn voor pyrenoïde systemen, kan enige valuta hebben op het gebied van polymeerfysica en mogelijk in synthetische biologie, ' zei Wingreen.

Wingreen en Jonikas zetten hun samenwerking voort en hopen het project zowel theoretisch te ontwikkelen - door verschillende flexibiliteiten en configuraties van Rubisco en EPYC1 te verkennen - als experimenteel, door de twee eiwitten in een reageerbuis te combineren en het aantal bindingsplaatsen te manipuleren.

"De vorige gedachte was dat hoe meer bindingsplaatsen ze hebben, hoe meer de eiwitten de neiging hebben om te clusteren, Jonikas zei. "De ontdekking dat er een magisch getaleffect is, is niet alleen belangrijk voor pyrenoïden, maar misschien voor veel andere vloeistofachtige organellen die overal in de natuur te vinden zijn."

Met aanvullende onderzoeken, deze bevindingen kunnen belangrijke inzichten opleveren om de beschikbaarheid van snelgroeiende gewassen voor een groeiende wereldbevolking te waarborgen.