Forskere omskriver historien om fotosyntese


Forskere har fanget sitt beste glimt ennå i opprinnelsen til fotosyntese, en av naturens mest betydningsfulle innovasjoner. Ved å ta nær-atomiske røntgenbilder med høy oppløsning av proteiner fra primitive bakterier, har forskere ved Arizona State University og Pennsylvania State University ekstrapolert hva den tidligste versjonen av fotosyntese kunne ha sett ut som nesten 3,5 milliarder år siden. Hvis de har rett, kan deres funn omskrive den evolusjonære historien til prosessen som livet bruker for å konvertere sollys til kjemisk energi.


] forfatterfoto "data-reactid =" 227 "/>

Originalhistorie utgitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Foundation som har til formål å styrke offentlig forståelse av vitenskap ved å dekke forskningsprosesser og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.

Fotosyntese driver direkte og indirekte nesten alle organismer på jorden. Det er ansvarlig for sammensetningen av atmosfæren og danner grunnlaget for planets mange sammenvevd økosystemer. Dessuten, som Wolfgang Nitschke en biolog ved Det franske nasjonalt senter for vitenskapelig forskning i Paris, bemerket, frigjort fotosyntese celler for å vokse og utvikle seg grenseløst ved å la dem utlede energi fra en ny, uuttømmelig, ikke-jordbasert kilde. "Når fotosyntese kom inn på bildet, var livet forbundet med kosmos," sa han.

Forskere vil finne ut hva som gjorde det mulig. I sin nåværende form, er maskinen som omdanner lysenergi til kjemisk energi i fotosyntese-et proteinkompleks som kalles et reaksjonsenter-utrolig sofistikert. Beviset antyder imidlertid at dens design, som strekker seg tilbake nesten til roten til livets tre, var en gang veldig enkel. Forskere har prøvd i flere tiår å fylle det enorme gapet i deres forståelse av hvordan (og hvorfor) fotosyntese utviklet seg.

For dette formål har de gjort oppmerksomheten mot eksisterende organismer. Ved å studere molekylære detaljer om reaksjonene som grønne planter, alger og noen bakterier bruker til å fotosyntetisere, og ved å analysere de evolusjonære relasjonene mellom dem, forsøker forskere å studere sammen en historisk historisk fortelling for prosessen.

De mudrede jordene rundt geotermiske varme kilder på Island, som Geysir våren vist her, er det naturlige habitatet for primitive fotosyntetiske heliobakterier. Forskere studerer nå disse organismene for innsikt i den tidlige utviklingen av fotosyntese.

Arctic-Images / Getty Images

] Den siste viktige indikasjonen kommer fra Heliobacterium modesticaldum som har forskjellen på å være den enkleste kjente fotosyntetiske bakterien. Dens reaksjonssenter, forskere tror, ​​er det nærmeste som er tilgjengelig for det opprinnelige komplekset. Helt siden biologene Kevin Redding Raimund Fromme og Christopher Gisriel fra Arizona State University, i samarbeid med sine kollegaer i Penn State, publiserte den krystallografiske struktur av proteinkomplekset i en juliutgave av Science har eksperter utpakket nøyaktig hva det betyr for utviklingen av fotosyntese. "Det er virkelig et vindu i fortiden," sa Gisriel.

"Dette er noe vi har ventet på i 15 år," sa Nitschke.

På jakt etter en Fellesforfedre

Først trodde de fleste forskere ikke at alle reaksjonssentrene som finnes i fotosyntetiske organismer i dag, kunne ha en enkelt felles forfedre. Det er sant at alle reaksjonssenter høster energi fra lys og lås det inn i forbindelser i et form som er kjemisk nyttig for celler. For å gjøre dette, overfører proteinerne elektroner langs en overføringskæde av molekyler i en membran, som om de hopper langs en rekke stepping stones. Hvert trinn frigir energi som til slutt brukes nedover linjen for å lage energibærermolekyler for cellen.

Men med hensyn til funksjon og struktur faller bildesystemreaksjonssenterene i to kategorier som er forskjellige på nesten alle måter. Photosystem Jeg tjener hovedsakelig til å produsere energibæreren NADPH, mens bildesystem II gjør ATP og deler vannmolekyler. Deres reaksjonssentre bruker forskjellige lysabsorberende pigmenter og sukker opp forskjellige deler av spekteret. Elektroner strømmer gjennom deres reaksjons sentre annerledes. Og proteinsekvensene for reaksjonsstedene ser ikke ut til å ha noen sammenheng med hverandre.

Begge bildesystemene kommer sammen i grønne planter, alger og cyanobakterier for å utføre en særlig kompleks form for fotosyntese-oksygen fotosyntese -Det produserer energi (i form av ATP og karbohydrater) samt oksygen, et biprodukt giftig for mange celler. De resterende fotosyntetiske organismer, som alle er bakterier, bruker bare en type reaksjonssenter eller den andre.

Så det virket som om det var to evolusjonære trær å følge – det var til krystallet strukturer av disse reaksjonssentrene begynte å dukke opp tidlig på 1990-tallet. Forskere så så ubestridelig bevis på at reaksjonssentrene for fotosystemene I og II hadde en felles opprinnelse. Spesifikke arbeidskomponenter i sentrene syntes å ha gjennomgått noen substitusjoner under utviklingen, men det overordnede strukturelle motivet på deres kjerner ble konservert. "Det viste seg at store strukturelle egenskaper ble beholdt, men sekvenslikheter mistet i tidens tåke", sa Bill Rutherford formann i biokjemi av solenergi ved Imperial College London.

"Nature har spilt små spill for å endre noen av reaksjonssenterets funksjoner, for å endre mekanismene som det virker," redder til. "Men det har ikke omskrevet spilleboken. Det er som å ha en cookie-cutter design for et hus, bygge det samme huset igjen og igjen, og deretter endre hvordan rommene er ordnet, hvordan møblene er plassert. Det er det samme huset, men funksjonene på innsiden er forskjellige. "

Forskere begynte å gjøre mer detaljerte sammenligninger mellom reaksjonssentrene, søke etter ledetråder om deres forhold og hvordan de divergerte. Heliobakterier har brakt dem noen skritt nærmere dette målet.

Harkering tilbake til en tidligere tid

Siden den ble oppdaget i jorda rundt Islands varme kilder i midten av 1990-tallet, H. modesticaldum har presentert forskere med et interessant stykke fotosyntese puslespillet. Den eneste fotosyntetiske bakterien i en familie med hundrevis av arter og slægter, heliobakterier, er fotosyntetisk utstyr veldig enkelt, noe som ble enda mer tydelig når det ble sekventert i 2008. "Genetikken er veldig strømlinjeformet", sa Tanai Cardona ]en biokjemiker ved Imperial College London.

Robert Blankenship, en fotosynteseforsker ved Washington University, ser på en kolbe av dyrkede cyanobakterier. Den organisatoriske enkelheten til heliobakterier, sa han, "harkens tilbake til en tidligere evolusjonstid."

Washington University i St. Louis