Обнаружение белковой оболочки раскрывает, как диатомовые водоросли так эффективно улавливают CO₂

Крошечные диатомовые водоросли в океане — мастера по захвату углекислого газа (CO₂) из окружающей среды. Они фиксируют до 20% CO₂ Земли. Исследовательская группа Базельского университета (Швейцария) обнаружила в этих водорослях белковую оболочку, необходимую для эффективной фиксации CO₂. Это открытие может дать идеи для биоинженерных подходов по снижению содержания CO₂ в атмосфере.

Диатомовые водоросли слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, но они являются одним из самых продуктивных видов водорослей в океане и играют важную роль в глобальном углеродном цикле. С помощью фотосинтеза они поглощают большие количества CO₂ из окружающей среды и превращают его в питательные вещества, которые кормят большую часть жизни в океане. Несмотря на их важность, оставалось в значительной степени неизвестным, как диатомеи осуществляют этот процесс так эффективно.

Исследователи под руководством профессора Бена Энгеля из Биоцентра Базельского университета вместе с коллегами из Йоркского университета (Великобритания) и Университета Квансэй-Гакуин (Япония) обнаружили белковую оболочку, играющую ключевую роль в фиксации CO₂ у диатомовых водорослей. Используя передовые технологии визуализации, такие как крио-электронная томография (cryo-ET), исследователи смогли раскрыть молекулярную архитектуру так называемой белковой оболочки пиреноида (PyShell) и расшифровать ее функцию.

Результаты исследований опубликованы в двух статьях в журнале Cell.

PyShell критически важна для эффективной фиксации CO₂

У растений и водорослей фотосинтез происходит в хлоропластах. Внутри них энергия солнечного света улавливается тилакоидными мембранами, а затем используется для помощи ферменту Rubisco в фиксации CO₂.

Однако у водорослей есть преимущество: они упаковывают весь свой Rubisco в небольшие компартменты, называемые пиреноидами, где CO₂ можно захватывать более эффективно.

«Мы обнаружили, что пиреноиды диатомовых водорослей заключены в решетчатую белковую оболочку», — говорит доктор Манон Демюльдер, автор обеих статей. «PyShell не только придает пиреноиду его форму, но и помогает создать высокую концентрацию CO₂ в этом компартменте. Это позволяет Rubisco эффективно фиксировать CO₂ из океана и превращать его в питательные вещества».

Когда исследователи удалили PyShell из водорослей, их способность фиксировать CO₂ была значительно нарушена. Фотосинтез и рост клеток снизились. «Это показало нам, насколько важна PyShell для эффективного захвата углерода — процесса, который имеет решающее значение для жизни океана и глобального климата», — говорит Демюльдер.

Биоинженерия для снижения уровня CO₂?

Открытие PyShell также может открыть многообещающие пути для биотехнологических исследований, направленных на борьбу с изменением климата — одной из самых насущных проблем нашего времени. «Прежде всего, мы, люди, должны сократить наши выбросы CO₂, чтобы замедлить темпы изменения климата. Это требует немедленных действий», — говорит Энгель.

«CO₂, который мы выбрасываем сейчас, останется в нашей атмосфере на тысячи лет. Мы надеемся, что такие открытия, как PyShell, могут помочь вдохновить новые биотехнологические приложения, которые улучшат фотосинтез и будут захватывать больше CO₂ из атмосферы. Это долгосрочные цели, но учитывая необратимость выбросов CO₂, важно, чтобы мы проводили фундаментальные исследования сейчас, чтобы создать больше возможностей для будущих инноваций в области улавливания углерода».