Επιστήμες

Πάρε μια βαθιά ανάσα. Τώρα πάρε άλλα εννέα. Μία από αυτές τις 10 αναπνοές που μόλις πήρατε έγινε δυνατή χάρη σε έναν πρόσφατα ανακαλυφθέντα κυτταρικό μηχανισμό που προωθεί φωτοσύνθεση στο θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν, σύμφωνα με πρόσφατες έρευνες.

Περιγράφεται ως «ρηξικέλευθος» από μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps του UC San Diego, αυτός ο μέχρι τώρα άγνωστος μηχανισμός είναι υπεύθυνος για το 7% έως το 25% του συνόλου της παραγωγής οξυγόνου και της στερέωσης άνθρακα στον ωκεανό. Λαμβάνοντας υπόψη τη φωτοσύνθεση στην ξηρά, εκτιμάται ότι αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να είναι υπεύθυνη για την παραγωγή έως και 12% του συνολικού οξυγόνου του πλανήτη.

Οι επιστήμονες έχουν από καιρό αναγνωρίσει τη σημασία του φυτοπλαγκτού – μικροσκοπικών οργανισμών που παρασύρονται σε υδάτινα περιβάλλοντα – λόγω της ικανότητάς τους να φωτοσυνθέτουν. Αυτά τα μικροσκοπικά ωκεάνια φύκια αποτελούν τη βάση του υδρόβιου τροφικού ιστού και εκτιμάται ότι παράγουν περίπου το 50% του οξυγόνου στη Γη.

Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 31 Μαΐου στο περιοδικό Τρέχουσα Βιολογίαπροσδιορίζει πώς ένα ένζυμο άντλησης πρωτονίων (γνωστό ως VHA) βοηθά στην παγκόσμια παραγωγή οξυγόνου και τη σταθεροποίηση του άνθρακα από το φυτοπλαγκτόν.

«Αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη στην κατανόησή μας για το θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Daniel Yee, ο οποίος διεξήγαγε την έρευνα ενώ ήταν Ph.D. φοιτητής στο Scripps Oceanography και επί του παρόντος υπηρετεί ως κοινή μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας και στο Πανεπιστήμιο της Grenoble Alpes στη Γαλλία. «Σε εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, αυτά τα μικρά κύτταρα στον ωκεανό πραγματοποιούν μικρές χημικές αντιδράσεις, ιδιαίτερα για να παράγουν αυτόν τον μηχανισμό που ενισχύει τη φωτοσύνθεση, που διαμόρφωσε την τροχιά της ζωής σε αυτόν τον πλανήτη».

Σε στενή συνεργασία με τον φυσιολόγο Scripps, Martín Tresguerres, έναν από τους συν-συμβούλους του, και άλλους συνεργάτες στο Scripps και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, ο Yee αποκάλυψε τις πολύπλοκες εσωτερικές λειτουργίες μιας συγκεκριμένης ομάδας φυτοπλαγκτού γνωστών ως διατόμων, τα οποία είναι διάσημα μονοκύτταρα φύκια για τα διακοσμητικά τοιχώματα των κυττάρων τους από πυρίτιο.

Κατανόηση του ενζύμου «αντλία πρωτονίων».

Προηγούμενη έρευνα στο Εργαστήριο Tresguerres λειτούργησε για να προσδιορίσει πώς το VHA χρησιμοποιείται από διάφορους οργανισμούς σε διαδικασίες κρίσιμες για τη ζωή στους ωκεανούς. Αυτό το ένζυμο βρίσκεται σχεδόν σε όλες τις μορφές ζωής, από τον άνθρωπο μέχρι τα μονοκύτταρα φύκια, και ο βασικός του ρόλος είναι να τροποποιεί το επίπεδο pH του περιβάλλοντος περιβάλλοντος.

«Φανταζόμαστε τις πρωτεΐνες ως μπλοκ Lego», εξήγησε ο Tresguerres, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Οι πρωτεΐνες κάνουν πάντα το ίδιο πράγμα, αλλά ανάλογα με τις άλλες πρωτεΐνες με τις οποίες συνδυάζονται, μπορούν να επιτύχουν μια πολύ διαφορετική λειτουργία».

Στους ανθρώπους, το ένζυμο βοηθά τα νεφρά στη ρύθμιση των λειτουργιών του αίματος και των ούρων. Τα γιγάντια μύδια χρησιμοποιούν το ένζυμο για να διαλύσουν τους κοραλλιογενείς υφάλους, όπου εκκρίνουν ένα οξύ που ανοίγει τρύπες στον ύφαλο για να βρει καταφύγιο. Τα κοράλλια χρησιμοποιούν το ένζυμο για την προώθηση της φωτοσύνθεσης από τα συμβιωτικά τους φύκια, ενώ τα σκουλήκια βαθέων υδάτων γνωστά ως Osedax χρησιμοποιήστε το για να διαλύσετε τα οστά θαλάσσιων θηλαστικών, όπως οι φάλαινες, ώστε να μπορούν να τα καταναλώσουν. Το ένζυμο υπάρχει επίσης στα βράγχια των καρχαριών και των ακτίνων, όπου είναι μέρος ενός μηχανισμού που ρυθμίζει τη χημεία του αίματος. Και στα μάτια των ψαριών, η αντλία πρωτονίων βοηθά στην παροχή οξυγόνου που ενισχύει την όραση.

Εξετάζοντας αυτήν την προηγούμενη έρευνα, ο Yee αναρωτήθηκε πώς το ένζυμο VHA χρησιμοποιήθηκε στο φυτοπλαγκτόν. Ξεκίνησε να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα συνδυάζοντας τεχνικές μικροσκοπίας υψηλής τεχνολογίας στο Εργαστήριο Tresguerres και γενετικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο του αείμνηστου επιστήμονα των Scripps Mark Hildebrand, ο οποίος ήταν κορυφαίος ειδικός στα διάτομα και ένας από τους συν-συμβούλους του Yee.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα εργαλεία, μπόρεσε να επισημάνει την αντλία πρωτονίων με μια φθορίζουσα πράσινη ετικέτα και να την εντοπίσει με ακρίβεια γύρω από τους χλωροπλάστες, οι οποίοι είναι γνωστοί ως «οργανίδια» ή εξειδικευμένες δομές εντός των κυττάρων διατόμων. Οι χλωροπλάστες των διατόμων περιβάλλονται από μια πρόσθετη μεμβράνη σε σύγκριση με άλλα φύκια, που περιβάλλει το χώρο όπου το διοξείδιο του άνθρακα και η φωτεινή ενέργεια μετατρέπονται σε οργανικές ενώσεις και απελευθερώνονται ως οξυγόνο.

«Καταφέραμε να δημιουργήσουμε αυτές τις εικόνες που δείχνουν την πρωτεΐνη που μας ενδιαφέρει και πού βρίσκεται μέσα σε ένα κύτταρο με πολλές μεμβράνες», είπε ο Yee. «Σε συνδυασμό με λεπτομερή πειράματα για την ποσοτικοποίηση της φωτοσύνθεσης, διαπιστώσαμε ότι αυτή η πρωτεΐνη προάγει στην πραγματικότητα τη φωτοσύνθεση παρέχοντας περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιεί ο χλωροπλάστης για να παράγει πιο σύνθετα μόρια άνθρακα, όπως τα σάκχαρα, ενώ παράγει επίσης περισσότερο οξυγόνο ως παράγωγο προϊόν.”

Σύνδεση με την εξέλιξη

Μόλις δημιουργηθεί ο υποκείμενος μηχανισμός, η ομάδα μπόρεσε να τον συνδέσει με πολλές πτυχές της εξέλιξης. Τα διάτομα προήλθαν από ένα συμβιωτικό γεγονός μεταξύ ενός πρωτόζωου και ενός φυκιού πριν από περίπου 250 εκατομμύρια χρόνια που κατέληξε στη σύντηξη των δύο οργανισμών σε έναν, γνωστό ως συμβιογένεση. Οι συγγραφείς τονίζουν ότι η διαδικασία ενός κυττάρου που καταναλώνει ένα άλλο, γνωστή ως φαγοκυττάρωση, είναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση. Η φαγοκυττάρωση βασίζεται στην αντλία πρωτονίων για την πέψη του κυττάρου που λειτουργεί ως πηγή τροφής. Ωστόσο, στην περίπτωση των διατόμων, συνέβη κάτι ιδιαίτερο στο οποίο το κύτταρο που καταναλώθηκε δεν αφομοιώθηκε πλήρως.

«Αντί το ένα κύτταρο να χωνέψει το άλλο, η οξίνιση που προκλήθηκε από την αντλία πρωτονίων του αρπακτικού κατέληξε να προάγει τη φωτοσύνθεση από το καταπινόμενο θήραμα», είπε ο Tresguerres. «Με την πάροδο του εξελικτικού χρόνου, αυτοί οι δύο ξεχωριστοί οργανισμοί συγχωνεύτηκαν σε έναν, για αυτό που τώρα ονομάζουμε διάτομα».

Δεν έχουν όλα τα φύκια αυτόν τον μηχανισμό, επομένως οι συγγραφείς πιστεύουν ότι αυτή η αντλία πρωτονίων έχει δώσει στα διάτομα ένα πλεονέκτημα στη φωτοσύνθεση. Σημειώνουν επίσης ότι όταν τα διάτομα εμφανίστηκαν πριν από 250 εκατομμύρια χρόνια, υπήρξε μεγάλη αύξηση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και ο μηχανισμός που ανακαλύφθηκε πρόσφατα στα φύκια μπορεί να έπαιξε ρόλο σε αυτό.

Η πλειονότητα των ορυκτών καυσίμων που εξάγονται από το έδαφος πιστεύεται ότι προήλθε από τον μετασχηματισμό της βιομάζας που βυθίστηκε στον πυθμένα του ωκεανού, συμπεριλαμβανομένων των διατόμων, για εκατομμύρια χρόνια, με αποτέλεσμα το σχηματισμό αποθεμάτων πετρελαίου. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η μελέτη τους μπορεί να δώσει έμπνευση για βιοτεχνολογικές προσεγγίσεις για τη βελτίωση της φωτοσύνθεσης, της δέσμευσης άνθρακα και της παραγωγής βιοντίζελ. Επιπλέον, πιστεύουν ότι θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των παγκόσμιων βιογεωχημικών κύκλων, των οικολογικών αλληλεπιδράσεων και των επιπτώσεων των περιβαλλοντικών διακυμάνσεων, όπως η κλιματική αλλαγή.

«Πρόκειται για μια από τις πιο συναρπαστικές μελέτες στον τομέα της συμβίωσης τις τελευταίες δεκαετίες και θα έχει μεγάλο αντίκτυπο στη μελλοντική έρευνα παγκοσμίως», δήλωσε ο Tresguerres.

Αναφορά: «Η ΑΤΡάση τύπου V ενισχύει τη φωτοσύνθεση στο θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν και συνδέει περαιτέρω τη φαγοκυττάρωση με τη συμβιογένεση» από τους Daniel P. Yee, Ty J. Samo, Raffaela M. Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Xavier Mayali, Peter K. Weber, B. Greg Mitchell, Mark Hildebrand, Johan Decelle και Martin Tresguerres, 31 Μαΐου 2023, Τρέχουσα Βιολογία.
DOI: 10.1016/j.cub.2023.05.020

Πρόσθετοι συν-συγγραφείς είναι οι Raffaela Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Greg Mitchell και ο αείμνηστος Mark Hildebrand της Scripps Oceanography. Οι Ty Samo, Xavier Mayali και Peter Weber του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore. και Johan Decelle του Πανεπιστημίου της Grenoble Alpes.

Οι συγγραφείς δεν έλαβαν καμία χρηματοδότηση για αυτή τη μελέτη. Οι διδακτορικές σπουδές του Yee στο Scripps Oceanography υποστηρίχθηκαν από την υποτροφία Scripps, την υποτροφία κατάρτισης του NIH και την υποτροφία πτυχιούχων Ralph Lewin. Τα κονδύλια από τον Arthur M. του UC San Diego και την Kate E. Tode Research Endowment in Marine Biological Sciences υποστήριξαν την αγορά ενός μικροσκοπίου που ήταν απαραίτητο για την έρευνα.