Nieuwe bevindingen in microben, cyanobacteriën genaamd, bieden nieuwe kansen voor plantenwetenschap, bio-engineering en milieubescherming

Onderzoekers van de Michigan State University en collega's van de University of California Berkeley, de University of South Bohemia en Lawrence Berkeley National Laboratory hebben geholpen om het meest gedetailleerde beeld tot nu toe van belangrijke biologische "antennes" te onthullen.

De natuur heeft deze structuren ontwikkeld om de energie van de zon te benutten door middel van fotosynthese, maar deze zonlichtontvangers behoren niet tot planten. Ze worden aangetroffen in microben die bekend staan ​​als cyanobacteriën, de evolutionaire afstammelingen van de eerste organismen op aarde die zonlicht, water en koolstofdioxide kunnen opnemen en omzetten in suikers en zuurstof.

Gepubliceerd op 31 augustus in het tijdschrift Nature werpen de bevindingen onmiddellijk nieuw licht op microbiële fotosynthese, met name hoe lichtenergie wordt opgevangen en gestuurd naar waar het nodig is om de omzetting van koolstofdioxide in suikers te stimuleren. In de toekomst kunnen de inzichten onderzoekers ook helpen om schadelijke bacteriën in het milieu te verwijderen, kunstmatige fotosynthetische systemen voor hernieuwbare energie te ontwikkelen en microben in te schakelen voor duurzame productie die begint met de grondstoffen van koolstofdioxide en zonlicht.

"Er is veel interesse in het gebruik van cyanobacteriën als fabrieken op zonne-energie die zonlicht opvangen en omzetten in een soort energie die kan worden gebruikt om belangrijke producten te maken", zegt Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor structurele bio-engineering aan het College of Natural Wetenschap. "Met een blauwdruk zoals die we in dit onderzoek hebben gegeven, kun je gaan nadenken over het afstemmen en optimaliseren van de lichtoogstcomponent van fotosynthese."

"Als je eenmaal ziet hoe iets werkt, heb je een beter idee van hoe je het kunt wijzigen en manipuleren. Dat is een groot voordeel", zegt Markus Sutter, senior onderzoeksmedewerker in het Kerfeld Lab, dat opereert bij MSU en Berkeley Lab in Californië.

De cyanobacteriële antennestructuren, die phycobilisomen worden genoemd, zijn complexe verzamelingen van pigmenten en eiwitten, die samenkomen tot relatief massieve complexen.

Decennialang hebben onderzoekers gewerkt aan het visualiseren van de verschillende bouwstenen van phycobilisomen om te proberen te begrijpen hoe ze in elkaar zitten. Phycobilisomen zijn kwetsbaar, waardoor deze versnipperde benadering noodzakelijk is. Historisch gezien zijn onderzoekers er niet in geslaagd om de hoge resolutiebeelden van intacte antennes te krijgen die nodig zijn om te begrijpen hoe ze lichtenergie opvangen en geleiden.

Dankzij een internationaal team van experts en vooruitgang in een techniek die bekend staat als cryo-elektronenmicroscopie, is de structuur van een cyanobacteriële lichtoogstantenne nu beschikbaar met een bijna atomaire resolutie. Het team bestond uit onderzoekers van MSU, Berkeley Lab, de Universiteit van Californië, Berkeley en de Universiteit van Zuid-Bohemen in Tsjechië.

"We hadden het geluk een team te zijn dat bestond uit mensen met complementaire expertise, mensen die goed samenwerkten", zegt Kerfeld, die ook lid is van het MSU-DOE Plant Research Laboratory, dat wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie. "De groep had de juiste chemie."

'Een lange reis vol leuke verrassingen'

"Dit werk is een doorbraak op het gebied van fotosynthese", zegt Paul Sauer, een postdoctoraal onderzoeker in het cryogene elektronenmicroscopielab van professor Eva Nogales in Berkeley Lab en UC Berkeley.

"De volledige lichtoogststructuur van de antenne van cyanobacteriën ontbrak tot nu toe," zei Sauer. "Onze ontdekking helpt ons te begrijpen hoe de evolutie manieren bedacht om koolstofdioxide en licht om te zetten in zuurstof en suiker in bacteriën, lang voordat er planten op onze planeet bestonden."

Samen met Kerfeld is Sauer een corresponderende auteur van het nieuwe artikel. Het team documenteerde verschillende opmerkelijke resultaten, waaronder het vinden van een nieuw fycobilisoom-eiwit en het observeren van twee nieuwe manieren waarop het fycobilisoom zijn lichtvangende staven oriënteert die nog niet eerder waren opgelost.

"Het zijn 12 pagina's met ontdekkingen", zei María Agustina Domínguez-Martín van de Natuur rapport. Als postdoctoraal onderzoeker in het Kerfeld Lab startte Domínguez-Martín het onderzoek bij MSU en voltooide het in het Berkeley Lab. Ze is momenteel verbonden aan de Universiteit van Cordoba in Spanje als onderdeel van de Marie Skłowdoska-Curie Postdoctoral Fellowship. "Het was een lange reis vol leuke verrassingen."

Een verrassing was bijvoorbeeld hoe een relatief klein eiwit kan fungeren als overspanningsbeveiliging voor de enorme antenne. Vóór dit werk wisten onderzoekers dat het fycobilisoom moleculen die oranje carotenoïde-eiwitten of OCP's worden genoemd, kon bijeendrijven wanneer het fycobilisoom te veel zonlicht had geabsorbeerd. De OCP's geven de overtollige energie af als warmte, waardoor het fotosynthetische systeem van een cyanobacterie wordt beschermd tegen verbranding.

Tot nu toe was er discussie over hoeveel OCP's het fycobilisoom zou kunnen binden en waar die bindingsplaatsen waren. Het nieuwe onderzoek geeft antwoord op deze fundamentele vragen en biedt mogelijk praktische inzichten.

Dit soort overspanningsbeveiligingssysteem - dat fotobescherming wordt genoemd en analogen heeft in de plantenwereld - is van nature verspillend. Cyanobacteriën zijn traag om hun fotobescherming uit te schakelen nadat ze hun werk hebben gedaan. Nu, met het complete beeld van hoe de overspanningsbeveiliging werkt, kunnen onderzoekers manieren ontwerpen om 'slimme', minder verspillende fotobescherming te ontwikkelen, zei Kerfeld.

En ondanks het feit dat ze hebben geholpen om de planeet bewoonbaar te maken voor mensen en talloze andere organismen die zuurstof nodig hebben om te overleven, hebben cyanobacteriën een duistere kant. De bloei van cyanobacteriën in meren, vijvers en reservoirs kan giftige stoffen produceren die dodelijk zijn voor zowel inheemse ecosystemen als mensen en hun huisdieren. Het hebben van een blauwdruk van hoe de bacteriën niet alleen de energie van de zon verzamelen, maar zichzelf er ook tegen beschermen, zou nieuwe ideeën kunnen inspireren om schadelijke bloemen aan te vallen.

Naast de nieuwe antwoorden en mogelijke toepassingen die dit werk biedt, zijn de onderzoekers ook enthousiast over de nieuwe vragen die het oproept en het onderzoek dat het zou kunnen inspireren.

"Als je dit ziet als Lego, kun je blijven opbouwen, toch? De eiwitten en pigmenten zijn als blokken die het fycobilisoom maken, maar dat is een deel van het fotosysteem, dat zich in het celmembraan bevindt, dat deel uitmaakt van de hele cel ’, aldus Sutter. "We klimmen in zekere zin de ladder van schaal op. We hebben iets nieuws op onze sport gevonden, maar we kunnen niet zeggen dat we het systeem hebben geregeld."

"We hebben een aantal vragen beantwoord, maar we hebben de deuren geopend voor andere en voor mij is dat wat het een doorbraak maakt", zei Domínguez-Martín. "Ik ben opgewonden om te zien hoe het veld zich vanaf hier ontwikkelt." + Verder verkennen

Oranje is het nieuwe 'blok':structuur onthult belangrijke kenmerken die overmatige lichtabsorptie tijdens fotosynthese helpen blokkeren