Wissenschaftler entdecken zellulären Prozess hinter der Sauerstoffproduktion

Tief durchatmen. Jetzt nimm noch neun. Einer neuen Forschung zufolge wurde die Sauerstoffmenge in einem dieser zehn Atemzüge durch einen neu identifizierten zellulären Mechanismus ermöglicht, der die Photosynthese im marinen Phytoplankton fördert.

Dieser bisher unbekannte Prozess, der von einem Forscherteam der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego als „bahnbrechend“ beschrieben wurde, ist für 7 bis 25 % des gesamten produzierten Sauerstoffs und des im Ozean fixierten Kohlenstoffs verantwortlich. Wenn man auch die an Land stattfindende Photosynthese in Betracht zieht, schätzten die Forscher, dass dieser Mechanismus für die Erzeugung von bis zu 12 % des Sauerstoffs auf dem gesamten Planeten verantwortlich sein könnte.

Wissenschaftler haben seit langem die Bedeutung von Phytoplankton – mikroskopisch kleinen Organismen, die in Gewässern treiben – aufgrund ihrer Fähigkeit zur Photosynthese erkannt. Diese winzigen Meeresalgen bilden die Grundlage des aquatischen Nahrungsnetzes und produzieren schätzungsweise etwa 50 % des Sauerstoffs auf der Erde.

Die neue Studie, veröffentlicht in Aktuelle Biologieidentifiziert, wie ein protonenpumpendes Enzym (bekannt als VHA) die globale Sauerstoffproduktion und Kohlenstofffixierung aus Phytoplankton unterstützt.

„Diese Studie stellt einen Durchbruch in unserem Verständnis des marinen Phytoplanktons dar“, sagte Hauptautor Daniel Yee, der die Forschung während seiner Doktorarbeit leitete. Student bei Scripps Oceanography und arbeitet derzeit als gemeinsamer Postdoktorand am European Molecular Biology Laboratory und der Universität Grenoble Alpes in Frankreich.

„Im Laufe der Millionen von Jahren der Evolution führen diese kleinen Zellen im Ozean winzige chemische Reaktionen durch, insbesondere um diesen Mechanismus zu erzeugen, der die Photosynthese steigert und die Entwicklung des Lebens auf diesem Planeten prägte.“

In enger Zusammenarbeit mit dem Scripps-Physiologen Martín Tresguerres, einem seiner Co-Berater, und anderen Mitarbeitern bei Scripps und dem Lawrence Livermore National Laboratory entschlüsselte Yee das komplexe Innenleben einer bestimmten Gruppe von Phytoplankton, den sogenannten Diatomeen, bei denen es sich um einzellige Algen handelt für ihre ornamentalen Zellwände aus Kieselsäure.

Das Enzym „Protonenpumpe“ verstehen

Frühere Forschungen im Tresguerres-Labor haben dazu beigetragen, herauszufinden, wie VHA von einer Vielzahl von Organismen in Prozessen verwendet wird, die für das Leben in den Ozeanen von entscheidender Bedeutung sind. Dieses Enzym kommt in fast allen Lebensformen vor, vom Menschen bis zu einzelligen Algen, und seine grundlegende Aufgabe besteht darin, den pH-Wert der Umgebung zu verändern.

„Wir stellen uns Proteine ​​als Legosteine ​​vor“, erklärte Tresguerres, Mitautor der Studie. „Die Proteine ​​machen immer das Gleiche, aber je nachdem, mit welchen anderen Proteinen sie gepaart werden, können sie eine ganz andere Funktion erfüllen.“

Beim Menschen unterstützt das Enzym die Nieren bei der Regulierung der Blut- und Urinfunktionen. Riesenmuscheln nutzen das Enzym, um Korallenriffe aufzulösen, wo sie eine Säure absondern, die Löcher in das Riff bohrt, um Schutz zu suchen.

Korallen nutzen das Enzym, um die Photosynthese ihrer symbiotischen Algen zu fördern, während Tiefseewürmer namens Osedax es verwenden, um die Knochen von Meeressäugern wie Walen aufzulösen, damit sie sie verzehren können. Das Enzym kommt auch in den Kiemen von Haien und Rochen vor und ist dort Teil eines Mechanismus, der die Blutchemie reguliert. Und in Fischaugen hilft die Protonenpumpe dabei, Sauerstoff zu liefern, der die Sehkraft verbessert.

Als Yee sich diese frühere Forschung ansah, fragte er sich, wie das VHA-Enzym im Phytoplankton verwendet wird. Er machte sich daran, diese Frage zu beantworten, indem er High-Tech-Mikroskopietechniken im Tresguerres-Labor und genetische Werkzeuge kombinierte, die im Labor des verstorbenen Scripps-Wissenschaftlers Mark Hildebrand entwickelt wurden, der ein führender Experte für Kieselalgen und einer von Yees Co-Beratern war.

Mit diesen Werkzeugen war er in der Lage, die Protonenpumpe mit einer fluoreszierenden grünen Markierung zu kennzeichnen und sie genau um Chloroplasten herum zu lokalisieren, die als „Organellen“ oder spezialisierte Strukturen in Diatomeenzellen bekannt sind. Die Chloroplasten der Kieselalgen sind im Vergleich zu anderen Algen von einer zusätzlichen Membran umgeben, die den Raum umhüllt, in dem Kohlendioxid und Lichtenergie in organische Verbindungen umgewandelt und als Sauerstoff freigesetzt werden.

„Wir konnten diese Bilder erzeugen, die das Protein von Interesse zeigen und zeigen, wo es sich innerhalb einer Zelle mit vielen Membranen befindet“, sagte Yee. „In Kombination mit detaillierten Experimenten zur Quantifizierung der Photosynthese haben wir herausgefunden, dass dieses Protein tatsächlich die Photosynthese fördert, indem es mehr Kohlendioxid liefert, das der Chloroplast verwendet, um komplexere Kohlenstoffmoleküle wie Zucker zu produzieren, und gleichzeitig mehr Sauerstoff als Nebenprodukt produziert.“ Produkt.“

Verbindung zur Evolution

Nachdem der zugrunde liegende Mechanismus etabliert war, konnte das Team ihn mit mehreren Aspekten der Evolution in Verbindung bringen. Kieselalgen sind aus einem symbiotischen Ereignis zwischen einem Protozoen und einer Alge vor etwa 250 Millionen Jahren entstanden, das in der Verschmelzung der beiden Organismen zu einem, der sogenannten Symbiogenese, gipfelte.

Die Autoren betonen, dass der Prozess, bei dem eine Zelle eine andere aufzehrt, die so genannte Phagozytose, in der Natur weit verbreitet ist. Die Phagozytose beruht auf der Protonenpumpe, um die Zelle zu verdauen, die als Nahrungsquelle dient. Bei Kieselalgen kam es jedoch zu einem besonderen Vorfall: Die gefressene Zelle wurde nicht vollständig verdaut.

„Anstatt dass eine Zelle die andere verdaut, fördert die durch die Protonenpumpe des Raubtiers angetriebene Versauerung letztendlich die Photosynthese der aufgenommenen Beute“, sagte Tresguerres. „Im Laufe der Evolution verschmolzen diese beiden getrennten Organismen zu einem, was wir heute Diatomeen nennen.“

Da nicht alle Algen über diesen Mechanismus verfügen, gehen die Autoren davon aus, dass diese Protonenpumpe den Kieselalgen einen Vorteil bei der Photosynthese verschafft hat. Sie stellen außerdem fest, dass es bei der Entstehung der Kieselalgen vor 250 Millionen Jahren zu einem starken Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre kam und der neu entdeckte Mechanismus bei Algen möglicherweise eine Rolle dabei gespielt hat.

Es wird angenommen, dass der Großteil der aus dem Boden gewonnenen fossilen Brennstoffe durch die Umwandlung von Biomasse entstanden ist, die über Millionen von Jahren auf den Meeresboden gesunken ist, einschließlich Kieselalgen, was zur Bildung von Ölreserven geführt hat.

Die Forscher hoffen, dass ihre Studie Inspiration für biotechnologische Ansätze zur Verbesserung der Photosynthese, Kohlenstoffbindung und Biodieselproduktion liefern kann. Darüber hinaus gehen sie davon aus, dass dies zu einem besseren Verständnis globaler biogeochemischer Kreisläufe, ökologischer Wechselwirkungen und der Auswirkungen von Umweltschwankungen wie dem Klimawandel beitragen wird.

„Dies ist eine der aufregendsten Studien auf dem Gebiet der Symbiose der letzten Jahrzehnte und sie wird einen großen Einfluss auf die zukünftige Forschung weltweit haben“, sagte Tresguerres.