Überraschendes Bakterium aus kanadischem See wirft neues Licht auf alte Photosynthese

Manchmal verläuft ein Experiment nicht wie geplant. Das ist Wissenschaft. Aber ein „fehlgeschlagenes“ Experiment oder unerwartete Ergebnisse können der Weg zu einer Entdeckung sein, mit der Sie nie gerechnet hätten. University of Waterloo Ph.D. Der Student Jackson Tsuji hatte eine schlecht wachsende Bakterienprobe, die er nicht aufgeben wollte, was letztendlich zu einer einmaligen Entdeckung führte, die die Sichtweise der Wissenschaftler auf die Photosynthese und ihre Ursprünge verändern könnte.

Im Jahr 2015 schloss sich Tsuji dem Labor des Professors und Universitätsforschungsleiters Josh Neufeld an, um in nordkanadischen Seen nach ungewöhnlichen photosynthetischen Bakterien zu suchen. Basierend auf einer Hypothese der Geo- und Umweltwissenschaftsprofessorin Sherry Schiff, dass diese Seen Bakterien beherbergen könnten, die denen auf der frühen Erde ähneln, machten sich Neufeld, Tsuji und die Koop-Studentin Nicolette Shaw daran, den See 227 im IISD-Experimental Lakes Area in der Nähe von Kenora zu untersuchen , Ontario.

Leider erzielte das Team in den ersten zwei Jahren der Seeprobenentnahme und -kultivierung gemischte Ergebnisse. Es gelang ihnen nicht, die gesuchten Bakterien zu züchten, selbst nachdem Hunderte von Seewasser-Inkubationen in Glasflaschen dem Licht ausgesetzt wurden.

Das Team ging zurück ans Zeichenbrett, aber Tsuji behielt eine der Experimentierflaschen aus Lake 227, denn obwohl sich die Probe nicht so verhielt, wie das Team es erwartet hatte, passierte etwas, das ihn neugierig machte.

„Nach drei Monaten sahen wir Anzeichen dafür, dass das Eisen in der Flasche zu oxidieren begann, obwohl unser Hauptzielbakterium nicht in der Flasche vorhanden war, was interessant war“, sagt Tsuji. „Wir haben unser Bestes gegeben, um die Kultur als Nebenprojekt aufrechtzuerhalten, und haben fast ein Jahr lang einige Kulturproben hinten in einem Inkubator und einige als Reserve im Kühlschrank aufbewahrt.“

Die DNA-basierten Tests des Teams zeigten, dass in der Flasche ein äußerst ungewöhnliches Bakterium wuchs, das nur entfernt mit Bakterien verwandt war, die zuvor in einem Labor gezüchtet worden waren. Aus diesem Grund nahm Tsuji 2018 auf einer Forschungsreise nach Japan zum Photosynthetic Microbial Consortium Laboratory Proben dieser Kultur.

Die Forscher im Photosynthetic Microbial Consortium Laboratory hatten Erfahrung mit der Züchtung der engsten bekannten photosynthetischen Verwandten des seltsamen Bakteriums in Tsujis Flasche, und nach zwei Monaten brachten Tsuji und das Forschungsteam das Bakterium in der Flasche dazu, gut zu wachsen. Sie untersuchten auch sein Genom und fanden etwas Erstaunliches, mit dem sie nicht gerechnet hatten.

„Bestimmte zentrale Photosynthesegene, die wir erwartet hatten, waren nicht vorhanden, aber in ihrer Abwesenheit gab es eine völlig neue Gruppe von Proteinen des photosynthetischen Reaktionszentrums“, sagt Tsuji. „Ich erinnere mich an einen emeritierten Professor im Labor, Keizo Shimada, der mir zu der Entdeckung gratulierte, von der wir heute glauben, dass sie ein neuer Zweig des photosynthetischen Lebens und ein Schlüsselteil des Puzzles zur Aufklärung der Entwicklung der Photosynthese auf der Erde ist. Es war surreal.“

Nach seiner Reise kehrte Tsuji nach Waterloo zurück, um seinen Doktortitel abzuschließen. und gehen Sie tiefer in die Bedeutung dieser Entdeckung ein.

„Dieser Durchbruch stellte die aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Entstehung der Photosynthese in Frage und erklärte einige der ‚Warum‘, die wir vorher nicht erklären konnten. Allerdings warf er auch mehr Fragen als Antworten auf – und ich war gespannt darauf, mehr zu untersuchen“, sagt Tsuji.

Als Tsuji seinen Doktortitel abschloss, gab ihm Neufeld die Proben, um seine Arbeit als Postdoktorand an der Hokkaido-Universität in Japan fortzusetzen.

„Dies ist Jacksons Projekt und ich möchte, dass er bei den nächsten Schritten die Führung übernimmt“, sagt Neufeld. „Seine Beharrlichkeit führte zu einer unerwarteten Entdeckung, die die Perspektive auf die Ursprünge des photosynthetischen Lebens, einschließlich Pflanzen und Algen, verändern könnte. Es ist eine aufregende Zeit für die Photosyntheseforschung, und jetzt, da unser Artikel veröffentlicht ist, bin ich gespannt, was als nächstes kommt.“ für dieses neue Forschungsthema in Jacksons Labor.“

Tsujis Postdoktorandenarbeit an der Universität Hokkaido bei Professor Manabu Fukui und Assistenzprofessor Tomohiro Watanabe ermöglichte es dem Team, die Schlüsseldaten zu sammeln, die zur Validierung und Veröffentlichung ihrer ersten Entdeckungen erforderlich waren – deren Höhepunkt die Arbeit mit dem Titel „Anoxygenic phototroph of the Chloroflexota used a“ ist Typ-I-Reaktionszentrum“ jetzt veröffentlicht In Natur.

Jetzt, als junger Forschungsstipendiat bei der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, setzt Tsuji seine Forschung fort, um alle Fragen zu beantworten, die dieses Bakterium aufwirft, und alles, was es für die Sichtweise der Wissenschaftler auf die Geschichte der Photosynthese bedeutet. Derzeit erforscht er, wie das Bakterium Licht sammelt und Nährstoffe in seiner Umgebung umwandelt, um neu zu verstehen, wie das photosynthetische Leben auf der frühen Erde ausgesehen haben könnte.

„Unsere ersten Erkenntnisse zum Stoffwechsel dieses Bakteriums und seiner Photosynthesemaschinerie lassen vermuten, dass das Bakterium wie ein ‚lebendes Fossil‘ ist – ein Organismus, der Eigenschaften wie das antike Leben bewahrt hat“, sagt Tsuji. „In den kommenden Jahren wollen wir mehr über die überraschenden Eigenschaften dieses Bakteriums erfahren, um neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie die Photosynthese so zustande kam, wie sie heute funktioniert, und wie dieser Prozess die Erde im Laufe ihrer Geschichte verändert hat.“