Новые данные о том, как водоросли поглощают углекислый газ

Два новых исследования зеленых водорослей раскрыли механизмы, с помощью которых эти организмы поглощают CO₂ из воздуха для фотосинтеза, что объясняет их быстрый рост. Понимание этого процесса может помочь в будущем повысить урожайность таких культур, как пшеница и рис.

Исследования, опубликованные в журнале Cell, провела группа под руководством Принстонского университета.

Устройство "углеродного насоса"

• У водорослей фермент Rubisco, фиксирующий CO₂, сосредоточен внутри органеллы пиреноида, где создается высокая концентрация углекислого газа.
• Ученые впервые составили подробную инвентаризацию клеточных механизмов пиреноида у водоросли Chlamydomonas reinhardtii.
• Было обнаружено 89 новых белков пиреноида, ответственных за транспорт углерода и формирование органеллы.
• Выявлены три ранее неизвестных слоя пиреноида, окружающие его, подобно слоям лука.

Пиреноид ведет себя как жидкость

• Ранее считалось, что пиреноид — твердая структура. Новые методы визуализации живых клеток показали, что он ведет себя как жидкоподобная капля.
• Эксперимент с лазерным "гашением" флуоресцентной метки на ферменте Rubisco в половине пиреноида показал, что метка быстро перераспределяется по всему объему, что характерно для жидкости.
• Крио-электронная томография с нанометровым разрешением подтвердила жидкую организацию пиреноида.

Деление и наследование пиреноида

• При делении клетки пиреноид растворяется в окружающей среде.
• Дочерние клетки получают компоненты пиреноида в растворенном виде, которые затем снова конденсируются в полноценную органеллу.
• Этот механизм гарантирует, что обе новые клетки унаследуют ключевую для усвоения углерода структуру.

"Магическое число" и компьютерное моделирование

• С помощью моделирования изучено взаимодействие Rubisco и белка EPYC1, который действует как "клей", связывая молекулы Rubisco.
• Состояние системы (конденсированная капля или раствор) зависит от соотношения количества сайтов связывания на EPYC1 и Rubisco.
• Обнаружен эффект "магического числа": при определенном соотношении сайтов связывания (например, 4 на EPYC1 и 8 на Rubisco) образуются небольшие комплексы, остающиеся в растворе. При другом соотношении (3 или 5 на EPYC1) образуются крупные жидкоподобные скопления.

"Понимание того, как водоросли концентрируют углекислый газ, — ключевой шаг к цели улучшения фотосинтеза у других растений", — сказал Мартин Йоникас, руководитель исследований.

Эти открытия важны не только для изучения водорослей, но и для понимания работы других жидкоподобных органелл в природе, а в перспективе — для решения проблемы обеспечения продовольствием растущего населения планеты.