Den Quelle-Senke-Balanceakt der photosynthetischen „winzigen grünen Bakterien“ beleuchten

Cyanobakterien sind kleine grüne Mikroorganismen, die wie Pflanzen und Algen Photosynthese betreiben, sich jedoch stark in ihrer Funktionsweise unterscheiden.

„Ich würde lieber sagen, dass es sich um winzige grüne Bakterien handelt, die wie Pflanzen Photosynthese durchführen können, allerdings in einem wirklich winzigen Kompartiment“, sagt María Santos-Merino, Postdoktorandin im Ducat-Labor der Abteilung für Energiepflanzenforschung der Michigan State University Labor oder PRL.

Santos-Merino war der erste Autor von a aktuelle Veröffentlichung In Stoffwechseltechnik Dabei wird untersucht, wie Cyanobakterien die zelluläre Energie zwischen „Quelle und Senke“ ausgleichen, was möglicherweise nachgelagerte Anwendungen in der Bioproduktion hat.

Während der Photosynthese führt ein Organismus viele Schritte aus, indem er Lichtenergie aufnimmt und in den Brennstoff umwandelt, den er zum Wachsen und Überleben benötigt. Gleichzeitig möchte der Organismus nicht arbeiten, um mehr Energie zu gewinnen, als er benötigt. Es muss also in der Lage sein, sich von innen heraus zu signalisieren, dass es genug Energie gesammelt hat.

Quelle-Senke ist die Bezeichnung für einen Regulierungsmechanismus, der die bei der Photosynthese gewonnene Lichtenergie – Quelle – mit der Fähigkeit zur Nutzung dieser Lichtenergie – Senke – in Einklang bringt.

„Wir versuchen, die Kommunikation zwischen Quell- und Senkenaktivitäten zu identifizieren“, sagte Santos-Merino. „Mit anderen Worten: Wir versuchen herauszufinden, wie Cyanobakterien in der Lage sind, die Aktivität der Quelle mit ihrer Fähigkeit, diese Energie in den verschiedenen Senken zu nutzen, in Einklang zu bringen. Wir wissen, dass dieser Prozess abläuft, wussten aber nicht, wie er reguliert wird.“ „

Die Forscher begannen mit einer Bibliothek von 44 Zweikomponenten-Proteinsystemen. Zweikomponentensysteme funktionieren wie Textnachrichten. Eine Komponente sendet eine Nachricht und die andere empfängt und antwortet. Auf diese Weise kommunizieren Cyanobakterien normalerweise und reagieren auf Umwelt- und interne Signale.

Aus den 44 Zweikomponentensystemen schufen die Forscher mutierte Cyanobakterien, denen jeweils eine dieser Komponenten fehlte. Anschließend beobachteten sie, ob die Kommunikation zwischen Quelle und Senke gestört war, und konnten so feststellen, welches dieser 44 Zweikomponentensysteme, wenn überhaupt, an diesem Signalweg beteiligt war.

Die Studie identifizierte vier der 44 vermutlich beteiligten Kandidaten. Zu den nächsten Schritten für das Labor gehört die weitere Charakterisierung der Wirkung dieser einzelnen Kandidaten auf molekularer und metabolischer Ebene.

„Die interessanteste Erkenntnis dieser Forschung war, dass sie impliziert, dass das zentrale Netzwerk, das den Energiehaushalt in Cyanobakterien reguliert, auf relativ wenigen regulatorischen Proteinen beruhen könnte“, sagte Daniel Ducat, außerordentlicher Professor am PRL und in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie. Er war der Hauptforscher dieser Studie.

„Diese Proteine ​​wurden in der bisherigen Literatur größtenteils nicht mit der Rolle des Energieausgleichs in Verbindung gebracht. Langfristig besteht die praktische Anwendung dieser Forschung darin, dass wir sie ins Gleichgewicht bringen könnten, wenn wir lernen, wie wir das Stoffwechselgleichgewicht von Cyanobakterien steuern können.“ für eine höhere photosynthetische Aktivität und Effizienz.“

Santos-Merino beschäftigt sich seit Beginn ihres Doktoratsstudiums im Jahr 2012 mit Cyanobakterien.

„Ich denke, dass es sich um faszinierende, unterschätzte Mikroorganismen handelt, die eine sehr wichtige ökologische Rolle spielen“, sagte sie. „Jedes Mal, wenn ich etwas Unbekanntes entdecke, steigt meine Neugier, [motivating me] um tiefer in die Bedeutung dieses Befundes einzutauchen. Es gibt noch viele offene Fragen dazu, wie bestimmte Stoffwechselprozesse in Cyanobakterien ablaufen und wie sie reguliert werden. Die Beantwortung einiger Fragen – oder zumindest der Versuch, sie zu beantworten – ist der Grund, warum ich weiterhin mit diesen Organismen arbeiten möchte.“