Tajne fotosinteze otkrivene su na atomskom nivou, bacajući važno novo svetlo na ovu biljnu super-moć koja je ozelenjavala Zemlju pre više od milijardu godina.
Istraživači Centra Džon Ines koristili su naprednu mikroskopsku metodu nazvanu krio-EM da bi istražili kako nastaju fotosintetski proteini.
Studija, objavljena u Cell, predstavlja model i resurse za stimulisanje daljih fundamentalnih otkrića u ovoj oblasti i pomoć u dugoročnim ciljevima razvoja otpornijih useva.
Dr Majkl Vebster, vođa grupe i koautor rada, rekao je: „Transkripcija gena hloroplasta je fundamentalni korak u pravljenju fotosintetskih proteina koji daju biljkama energiju koja im je potrebna za rast. Nadamo se da ćemo bolje razumevanje ovog procesa— na detaljnom molekularnom nivou – opremićemo istraživače koji žele da razviju biljke sa snažnijom fotosintetskom aktivnošću.
„Najvažniji rezultat ovog rada je stvaranje korisnog resursa. Istraživači mogu preuzeti naš atomski model polimeraze hloroplasta i koristiti ga da proizvedu sopstvene hipoteze o tome kako bi ona mogla da funkcioniše i eksperimentalne strategije koje bi ih testirale.“
Fotosinteza se odvija unutar hloroplasta, malih odeljaka u biljnim ćelijama koje sadrže sopstveni genom, odražavajući njihovu prošlost kao slobodnoživuće fotosintetske bakterije pre nego što su ih biljke progutale i kooptirale.
Grupa Vebster iz Centra Džon Ines istražuje kako biljke prave fotosintetičke proteine, molekularne mašine koje čine ovu elegantnu hemijsku reakciju, pretvarajući atmosferski ugljen-dioksid i vodu u jednostavne šećere i proizvodeći kiseonik kao nusproizvod. Prva faza u proizvodnji proteina je transkripcija, gde se gen čita da bi se proizvela „glasnička RNK“. Ovaj proces transkripcije obavlja enzim koji se zove RNK polimeraza.
Pre 50 godina otkriveno je da hloroplasti sadrže sopstvenu jedinstvenu RNK polimerazu. Od tada, naučnici su iznenađeni koliko je ovaj enzim složen. Ima više podjedinica od svog pretka, bakterijske RNK polimeraze, i čak je veća od ljudske RNK polimeraze.
Vebster grupa je želela da razume zašto hloroplasti imaju tako sofisticiranu RNK polimerazu. Da bi to uradili, morali su da vizualizuju strukturnu arhitekturu hloroplastne RNK polimeraze.
Istraživački tim je koristio metodu nazvanu kriogena elektronska mikroskopija (krio-EM) za snimanje uzoraka hloroplastne RNK polimeraze prečišćene iz biljaka bele gorušice. Obradom ovih slika, uspeli su da naprave model koji sadrži položaje više od 50.000 atoma u molekularnom kompleksu.
Kompleks RNK polimeraze se sastoji od 21 podjedinice kodirane u dva genoma, nuklearnom i hloroplastu. Pažljiva analiza ove strukture dok vrši transkripciju omogućila je istraživačima da počnu da objašnjavaju funkcije ovih komponenti.
Model im je omogućio da identifikuju protein koji stupa u interakciju sa DNK dok se transkribuje i vodi ga do aktivnog mesta enzima. Druga komponenta može da stupi u interakciju sa iRNK koja se proizvodi, što je verovatno štiti od proteina koji bi je razgradili pre nego što se prevede u protein.
Dr Vebster je rekao: „Znamo da svaka komponenta hloroplastne RNK polimeraze ima vitalnu ulogu jer biljke kojima nedostaje bilo koji od njih ne mogu da prave fotosintetske proteine i shodno tome ne mogu da postanu zelene. Pažljivo proučavamo atomske modele da bismo precizno odredili koja je uloga je za svaku od 21 komponente sklopa.“
Zajednički prvi autor dr Anhel Vergara-Cruces je rekao: „Sada kada imamo strukturni model, sledeći korak je da potvrdimo ulogu transkripcionih proteina hloroplasta. Otkrivanjem mehanizama transkripcije hloroplasta, naša studija nudi uvid u njegovu ulogu u rastu biljaka i prilagođavanje i odgovor na uslove sredine“.
Prvi zajednički autor dr Išika Pramanik je rekao: „Bilo je mnogo iznenađujućih trenutaka na ovom izuzetnom radnom putu, počevši od veoma izazovnog prečišćavanja proteina do snimanja zapanjujućih krio-EM slika ovog ogromnog kompleksnog proteina da bismo konačno videli naš rad u štampanoj verziji.“
Dr Vebster je zaključio: „Toplota, suša i salinitet ograničavaju sposobnost biljaka da izvode fotosintezu. Biljke koje mogu pouzdano da proizvode fotosintetičke proteine suočene sa stresom okoline mogu drugačije da kontrolišu transkripciju hloroplasta. Radujemo se što ćemo videti da se naš rad koristi u važan napor za razvoj snažnijih useva.“
