Diatomeeën zijn microscopisch kleine eencellige algen die wereldwijd in natuurlijke wateren voorkomen. Tijdens de fotosynthese nemen ze grote hoeveelheden koolstofdioxide op, het primaire broeikasgas dat door menselijke activiteiten wordt uitgestoten, en zetten dit om in biomassa. De carotenoïde fucoxanthine stelt diatomeeën in staat om het blauwgroene deel van het zonlicht efficiënt te oogsten voor fotosynthese.

In samenwerking met een internationaal onderzoeksteam ontdekten onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) in Duitsland nu hoe de algen dit belangrijke en veelgebruikte pigment produceren. Hun werk is onlangs gepubliceerd in een wetenschappelijk artikel in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Nieuwe inzichten in de synthese van fucoxanthine

Diatomeeën gedijen in zowel zee- als zoetwateromgevingen over de hele wereld en zijn de meest soortenrijke algengroep en naar schatting zijn ze verantwoordelijk voor tot een vijfde van de wereldwijde fotosynthetische koolstofdioxidefixatie. In tegenstelling tot de fotosynthetisch actieve groene bladeren van landplanten, zijn diatomeeën bruin van kleur. Hun duidelijke kleuring wordt veroorzaakt door de licht oogstende carotenoïde fucoxanthine die de efficiënte absorptie en het fotosynthetische gebruik van het blauwgroene licht dat in veel aquatische habitats voorkomt, mogelijk maakt. Fucoxanthine is een van de meest voorkomende carotenoïden op aarde en een belangrijke aanjager van mariene fotosynthese.

Gedurende het laatste decennium is fucoxanthine ook een onderwerp van toenemende belangstelling geworden voor nutraceutische en farmaceutische toepassingen. Al 150 jaar geleden voor het eerst genoemd in de wetenschappelijke literatuur als een belangrijk pigment in bruine algen, werd de chemische structuur van fucoxanthine in de jaren zestig vastgesteld. Tot nu toe was echter niet bekend hoe algen dit belangrijke natuurlijke product synthetiseren.

De onderzoeksgroepen van Dr. Martin Lohr aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), professor Graham Peers aan de Colorado State University in Fort Collins, VS, en professor Xiaobo Li aan de Westlake University in Hangzhou in China hebben nu de biosynthetische route van fucoxanthine in diatomeeën, gerapporteerd in een gezamenlijk manuscript gepubliceerd in PNAS .

Met behulp van de genetische schaar CRISPR/Cas9 hebben de onderzoekers genen in de diatomeeënaarde Phaeodactylum tricornutum aangetast die coderen voor eiwitten met een hoge gelijkenis met enzymen die betrokken zijn bij de biosynthese van carotenoïden in landplanten. De knock-out van twee van deze kandidaat-enzymen resulteerde in groengekleurde mutanten die geen fucoxanthine bevatten, maar in plaats daarvan andere carotenoïden hadden verzameld en een sterk verminderde fotosynthese-efficiëntie hadden. Dankzij de gedetailleerde biochemische karakterisering van de nieuwe carotenoïden en van de enzymen die in de mutanten werden uitgeschakeld, konden de onderzoekers het volledige pad naar fucoxanthine in diatomeeën voorstellen.

Synthese via een complexe route met voorheen onbekende tussenproducten

De route bleek aanzienlijk complexer dan verwacht en omvat drie nieuwe carotenoïde tussenproducten. Op basis van bio-informatische analyses van de nieuw ontdekte enzymen en hun verspreiding over algen, konden de onderzoekers ook aantonen dat de fucoxanthine-route is geëvolueerd door duplicatie van oude genen voor enzymen die de vorming van fotobeschermende carotenoïden katalyseren.

Zoals de auteurs uitleggen, dienden carotenoïden in fotosynthetische organismen aanvankelijk als beschermers onder overmatig licht. Hun recente werk laat zien dat diatomeeën herhaaldelijk componenten dupliceren van de enzymatische gereedschapskist die deze fotobeschermende pigmenten genereert. Sommige van de kopieën kregen nieuwe functies, waardoor de synthese mogelijk werd van complexere carotenoïden die bijzonder geschikt bleken voor fotosynthetische lichtoogst. Met name de evolutionaire jongere bruine algen missen deze extra enzymen en de nieuwe carotenoïde tussenproducten. In plaats daarvan lijken ze een aangepast pad te gebruiken dat is geëvolueerd door het pad in diatomeeën te verkorten.

Een overdracht van de volledige biosyntheseroute van fucoxanthine naar andere organismen is nog niet mogelijk. "We hebben alle tussenliggende routes geïdentificeerd, maar sommige van de betrokken enzymen zijn nog onbekend", zegt Dr. Martin Lohr van JGU's Institute of Molecular Physiology (IMP). De auteurs verwachten echter dat hun bevindingen de identificatie van de nog ontbrekende enzymen zullen bevorderen. Bovendien zullen de groene diatomeeënmutanten ongekende onderzoeksmogelijkheden bieden voor een dieper begrip van de biogenese en regulatie van het fotosynthetische apparaat in deze prominente algengroep van bijzonder ecologisch belang. + Verder verkennen

Licht werpen op de bruine kleur van algen