Naukowcy odkrywają atomowe tajemnice fotosyntezy

Tajniki Fotosynteza Zostały odkryte na poziomie atomowym, dostarczając ważnych nowych informacji na temat tej roślinnej supermocy, która ponad miliard lat temu przekształciła Ziemię w zielony krajobraz.

Naukowcy z John Innes Center wykorzystali zaawansowaną metodę mikroskopową zwaną Cryo-EM, aby zbadać, w jaki sposób powstają białka fotosyntetyczne.

Badanie opublikowane w komórka, Zapewnia model i zasoby stymulujące bardziej fundamentalne odkrycia w tej dziedzinie i pomagające w realizacji długoterminowych celów, jakim jest rozwój bardziej odpornych upraw.

Zrozumienie fotosyntetycznej produkcji białek

Dr Michael Webster, lider grupy i współautor artykułu, powiedział: „Transkrypcja genów chloroplastów jest niezbędnym krokiem w wytwarzaniu białek fotosyntetycznych, które dostarczają roślinom energię potrzebną do wzrostu. Mamy nadzieję, że dzięki lepszemu zrozumieniu tego procesu – na szczegółowy poziom molekularny – zapewnimy naukowcom chcącym wyhodować rośliny o silniejszej aktywności fotosyntetycznej.

„Najważniejszym wynikiem tej pracy jest utworzenie użytecznego zasobu. Naukowcy mogą pobrać nasz model atomowy polimerazy chloroplastowej i wykorzystać go do stworzenia własnych hipotez na temat jej działania oraz strategii eksperymentalnych do przetestowania.”

Fotosynteza zachodzi w chloroplastach – maleńkich przedziałach wewnątrz komórek roślinnych zawierających ich genom, co odzwierciedla ich przeszłość jako wolno żyjących bakterii fotosyntetycznych, zanim zostały połknięte i zaadoptowane przez rośliny.

Zobacz cząsteczkę polimerazy, która transportuje geny fotosyntezy do chloroplastów roślin. Obrazy poszczególnych cząsteczek zebrane za pomocą mikroskopu elektronowego posortowano i wyrównano, aby odsłonić szczegóły struktury strukturalnej kompleksu białkowego. Źródło: Michael Webster i Ishika Pramanik

Grupa Webstera w John Innes Center bada, w jaki sposób rośliny wytwarzają białka fotosyntetyczne, maszyny molekularne, które powodują tę elegancką reakcję chemiczną, przekształcając atmosferyczny dwutlenek węgla i wodę w cukry proste i wytwarzając tlen jako produkt uboczny.

Pierwszym etapem produkcji białka jest transkrypcja, podczas której gen jest odczytywany w celu wytworzenia „posłańca”. RNA'. Ten proces transkrypcji odbywa się za pomocą enzymu zwanego polimerazą RNA.

Złożoność chloroplastowej polimerazy RNA

50 lat temu odkryto, że chloroplasty zawierają własną, unikalną polimerazę RNA. Od tego czasu naukowcy byli zaskoczeni złożonością tego enzymu. Zawiera więcej podjednostek niż jego poprzednik, bakteryjna polimeraza RNA, i jest nawet większy niż ludzkie polimerazy RNA.

Grupa Webstera chciała zrozumieć, dlaczego chloroplasty zawierają wyrafinowane polimerazy RNA. Aby tego dokonać, musieli zwizualizować strukturę strukturalną polimerazy RNA chloroplastów.

Zespół badawczy zastosował metodę zwaną kriogeniczną mikroskopią elektronową (cryo-EM) do obrazowania próbek chloroplastowej polimerazy RNA oczyszczonej z roślin gorczycy białej.

Wnioski z analizy na poziomie atomowym

Przetwarzając te obrazy, udało im się zbudować model zawierający lokalizacje ponad 50 000 atomów w kompleksie molekularnym.

Kompleks polimerazy RNA obejmuje 21 podjednostek kodowanych zarówno w genomie jądrowym, jak i chloroplastowym. Dokładna analiza tej struktury podczas transkrypcji umożliwiła badaczom rozpoczęcie wyjaśniania funkcji tych składników.

Model pozwolił im określić, z jakim białkiem wchodzi w interakcję DNA Podczas gdy jest kopiowany i kierowany do miejsca aktywnego enzymu.

Inny składnik może oddziaływać z wytwarzanym mRNA, potencjalnie chroniąc go przed białkami, które mogłyby go rozłożyć przed translacją na białko.

Dr Webster powiedział: „Wiemy, że każdy składnik chloroplastowej polimerazy RNA odgrywa kluczową rolę, ponieważ rośliny pozbawione któregokolwiek z nich nie są w stanie wytwarzać białek fotosyntetycznych i dlatego nie mogą zmienić koloru na zielony. Uważnie badamy modele atomowe, aby określić, jaką rolę odgrywają. Każdy z nich 21 elementów zestawu.

Wspólny pierwszy autor, dr Angel Vergara Cruces, powiedział: „Teraz, gdy mamy model strukturalny, następnym krokiem jest potwierdzenie roli białek transkrypcyjnych chloroplastów. Nasze badanie, ujawniając mechanizmy transkrypcji chloroplastów, zapewnia wgląd w ich rolę w roślinach wzrost, adaptacja i reakcja na warunki.” Środowisko.

„W tej niesamowitej podróży zawodowej było wiele zaskakujących momentów, od niezwykle wymagającego oczyszczania białek, przez robienie oszałamiających obrazów kriogenicznych tego ogromnego złożonego białka, aż w końcu ujrzeliśmy naszą pracę w druku” – powiedziała współpierwsza autorka, dr Ishika Pramanik. „

„Upał, susza i zasolenie ograniczają zdolność roślin do fotosyntezy” – podsumowała dr Webster. „Rośliny, które potrafią niezawodnie wytwarzać białka fotosyntetyczne w obliczu stresów środowiskowych, mogą inaczej kontrolować transkrypcję chloroplastów. Nie możemy się doczekać, aż nasza praca zostanie wykorzystana w ważne wysiłki.” Opracowanie bardziej wytrzymałych upraw.

Odniesienie: „Struktura roślinnej polimerazy RNA kodowanej plastydem” autorstwa Angela Vergary Cruces, Ishiki Pramanika, Davida Pearce'a i Vinoda K. Fogerala, Matthew J. Byrne, Jason K. K. Low i Michael W. Webster, 29 lutego 2024 r., komórka.
doi: 10.1016/j.cell.2024.01.036