Pflanzen und Algen wandeln Sonnenenergie durch Photosynthese in chemische Energie um. Dieser Prozess ist lebenswichtig für das Leben auf der Erde und versorgt uns mit Sauerstoff, Nahrung, Treibstoffen und anderen wertvollen Produkten. Die Photosynthese findet innerhalb der Zellen in Strukturen statt, die Chloroplasten genannt werden.
Um das Innenleben dieser Strukturen besser zu verstehen, haben Forscher die Positionen von 1.034 Proteinen im Chloroplasten der einzelligen Grünalge Chlamydomonas kartiert. Diese Karte ist ein räumlicher Atlas des Chloroplasten-Proteoms – aller Proteine, die der Organismus produzieren kann.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.
Die Lokalisierungsmuster unterschiedlicher Proteine deckten neue Chloroplastenstrukturen auf und offenbarten eine neuartige räumliche Organisation innerhalb des Chloroplasten. Die Forscher identifizierten auch neue Komponenten bekannter Chloroplastenstrukturen wie die Chloroplastenhülle, ihre DNA-Protein-Komplexe, Fettspeicher-Mikrokompartimente und Proteinkörper, die an der Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre beteiligt sind.
Das Team identifizierte diese neuen Komponenten, indem es ihre Wechselwirkung mit bekannten Proteinen untersuchte. Sie fanden viele Proteine, die sich sowohl im Chloroplasten als auch in anderen Zellstrukturen befanden, was auf eine neue Funktion und Kommunikation zwischen diesen Strukturen hindeutet.
Anschließend wendeten die Wissenschaftler Methoden des maschinellen Lernens auf den Proteinatlas an, um Vorhersagen über den Standort aller Proteine in Chlamydomonas zu erstellen. Dies ermöglichte es ihnen, vielen uncharakterisierten Proteinen anhand ihrer zellulären Position mutmaßliche Funktionen zuzuordnen.
Dieser Atlas bietet Wissenschaftlern Einblicke in die Funktion von Proteinen und die Organisation der Chloroplasten im Organismus. Mithilfe dieses Atlas und Algorithmen der künstlichen Intelligenz konnten die Forscher auch die Standorte aller Proteine in Chlamydomonas vorhersagen.
Die Entwicklung von Nutzpflanzen wird dazu beitragen, die Herausforderungen bei der Lebensmittel-, Kraftstoff- und Produktproduktion zu bewältigen, die sich aus dem Klimawandel ergeben. Wissenschaftler benötigen ein grundlegendes biologisches Verständnis der Photosynthese, um Pflanzen mit verbesserter Produktivität zu entwickeln. Diese Forschung legt den Grundstein für die Entschlüsselung des Innenlebens des Chloroplasten, der Zellstruktur im Herzen der Photosynthese.
Mehr Informationen:
Lianyong Wang et al., Ein Chloroplasten-Proteinatlas enthüllt punktförmige Strukturen und räumliche Organisation von Biosynthesewegen, Zelle (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.06.008