A fotoszintézis említésekor elsősorban egy sűrű esőerdő vagy más zöldellő szárazföldi növényzet jut az eszünkbe. Pedig a Földön az óceánokat megtöltő fitoplanktonfelhők jelentik az elsődleges fotoszintetizáló tényezőt, kulcsszerepet játszva a légkör összetételének alakításában. Az egysejtű vízi mikrobák a légkörben lévő oxigén több mint 50%-át termelik meg, és a szén-dioxid közel felét elnyelik, glükózzá, zsírokká, fehérjékké és más szerves molekulákká alakítva át, amelyekkel aztán az óceáni táplálékhálózatot táplálják.
A Current Biology című folyóiratban nemrégiben megjelent egy tanulmány, amely végre meghatározza ennek a páratlan hatékonyságú, a kutatókat sokáig zavarba ejtő, fotoszintetikus folyamatnak a forrását. Az új kutatás során a kutatók megállapították, hogy egyes fitoplanktonok egy extra belső membránnal rendelkeznek, amely egy protonpumpát hordoz, és felturbózza bennük a szén-dioxid más anyagokká történő átalakításának képességét.
Úgy tűnik, hogy az ennek az egy módosulásnak köszönhető a levegőben lévő oxigén közel 12%-ának és az óceánban megkötött (szerves vegyületekbe zárt) szén 25%-ának előállítása.
Meglepő módon úgy tűnik, hogy ez a fotoszintetikus innováció véletlenül fejlődött ki egy olyan membránfehérjéből, amelyet a fitoplanktonok őse eredetileg emésztésre használt. Az új munka amellett, hogy megmagyarázza a sejtek fotoszintézisben való hatékonyságát, segít alátámasztani azt az elméletet, hogy ezek a fitoplanktonok egy Protozoa, egy állati egysejtű és egy ellenálló vörösmoszat közötti szimbiózis révén jöttek létre.
Egy furcsa ebéd
A kutatók eddig is tisztában voltak vele, hogy a fitoplanktonok bizonyos osztályai – a kovamoszatok, a páncélos ostorosok és a kokkolitoforok – kivételes fotoszintetizáló képességekkel rendelkeznek. Ezek a sejtek rendkívül hatékonyak abban, hogy szén-dioxidot vegyenek fel a környezetükből, és azt fotoszintézis céljából a kloroplasztiszaikba irányítsák, de eddig nem volt teljesen világos, hogy mitől olyan jók ebben. A fitoplanktonok ezen három csoportjára azonban jellemző, hogy kloroplasztiszaik körül egy extra membrán található.
Hét évvel ezelőtt Daniel Yee mikrobiológus, az eredményekről beszámoló új tanulmány vezető szerzője a Kaliforniai Egyetem Scripps Oceanográfiai Intézetében doktoranduszként a kovamoszatokat kezdte tanulmányozni. Nem a fotoszintézis állt kutatása fókuszában, azt próbálta megérteni, hogyan szabályozzák a kovamoszatok a belső savasságukat, hogy segítsék a tápanyag-raktározást és felépítsék ellenálló sejtfalukat. De a vizsgálatok közben újra és újra belebotlott a kloroplasztiszaik körüli egyedi kiegészítő membrán rejtélyébe.
Menet közben az is kiderült számára, hogy más kutatók ezt a plusz membránt egy ősi, sikertelen emésztési epizód maradványának tekintik. A feltételezések szerint körülbelül 200 millió évvel ezelőtt egy ragadozó egysejtű megpróbált lakmározni egy egysejtű fotoszintetizáló moszatból. A bekebelezett moszatot egy membránszerkezetbe, vakuólumba burkolta a ragadozó, hogy megeméssze, de ismeretlen okokból az emésztés végül nem következett be. Ehelyett az moszat túlélte, és szimbiózisba lépett a másik egysejtűvel, táplálva azt a fotoszintézis révén.
Ez a partnerség a generációk során egyre mélyült, mígnem az új, „kettő az egyben” organizmusból kialakultak a ma ismert kovamoszatok. A bekebelezés során nyert extra membránréteg azonban azóta sem tűnt el.
Az 1990-es évek végén a szakértők feltételezték, hogy az egykori membrán még mindig hordoz egy transzmembrán csatornafehérjét, egy protonpumpát. A protonpumpák rendkívül sokoldalú molekulák, amelyek a szervezetekben különféle feladatokra specializálódhatnak, az emésztéstől kezdve a vér savasságának szabályozásán át a neuronok jelátvitelének segítéséig, magyarázza Martin Tresguerres mikrobiológus, az új tanulmány vezető társszerzője és Yee egykori témavezetője. Az emlősökben a protonpumpák egyik típusa képes például erősen maró, savas körülményeket teremteni a csontok környékén, hogy lebontsa azok mineralizált szerkezetét, idővel feloldva azt.
Yee úgy találta, hogy ugyanez a protonpumpa segít alakítani a kovamoszatok kemény szilícium-dioxid-héját is. De figyelembe véve a protonpumpák sokoldalúságát és a kloroplasztiszokkal való közvetlen kapcsolatát, meggyőződése volt, hogy ezen túl másra is képes lehet.
Molekuláris biológiai technikák kombinációjával Yee és csapata megerősítette, hogy a fitoplankton kloroplasztiszát körülvevő extra membrán valóban tartalmaz egy aktív, működő protonpumpát. Ez a VHA nevű pumpa gyakran emésztési szerepet tölt be a vakuólumokban. A protonpumpát a kutatók egy fluoreszcens fehérjével címkézték fel, így valós időben tudták megfigyelni a működését. Megfigyeléseik alátámasztották az endoszimbionta-elméletet, amely megmagyarázza, hogyan szerezték a kovamoszatok a kloroplasztisz körüli extra membránt.
Fotoszintézis turbófokozatban
Yee, Tresguerres és kollégáik arra is kíváncsiak voltak, hogy a protonpumpa hogyan befolyásolhatja a kloroplasztisz fotoszintetikus tevékenységét. Hogy ezt kiderítsék, egy gátló gyógyszerrel, a konkanamicin A-val leállították a protonpumpa működését, miközben figyelték, hogy a fitoplanktonok a továbbiakban hogyan termelnek a szénből karbonátokat és oxigént. Úgy találták, hogy a protonpumpa gátlása jelentősen csökkentette mind a szénmegkötést, mind az oxigéntermelést a sejtekben.
A további vizsgálatok során sikerült megerősíteni, hogy a pumpa a kloroplasztiszok közelébe koncentrálja a szenet, így fokozva a fotoszintézist. A pumpa protonokat szállít a citoplazmából az extra membrán és a kloroplasztisz közötti részbe. Erre a területre a megnövekedett savasság hatására több szén diffundál bikarbonátionok formájában, hogy semlegesítse azt. A bikarbonátot aztán az enzimek visszaalakítják szén-dioxiddá, ami így a kloroplasztisz szénmegkötő enzimeinek kényelmes közelségébe kerül.
Az extra membránnal rendelkező kovamoszatok és más fitoplanktonok globális óceánokban való eloszlására vonatkozó statisztikák alapján a kutatók úgy becsülik, hogy a VHA membránfehérjéhez köthető hatékonyságnövekedés felel a földi légköri oxigén közel 12%-áért. Emellett az éves óceáni szénmegkötés 7–25%-a köthető az evolúciós innovációhoz. Ez legalább 3,5 milliárd tonna szenet jelent – majdnem négyszer annyit, mint amennyit a globális légi közlekedés évente kibocsát.
A kutatók becslései szerint a VHA akár évi 13,5 milliárd tonna szén megkötéséért is felelős lehet.
A szakértők szerint immár ezt a tényezőt is figyelembe kell venni a többi más megfontolással együtt, amikor megbecsülik az éghajlatváltozás hatását arra, hogy a légköri szén-dioxid milyen gyorsan kötődik meg szerves molekulák formájában, ami megszabja, hogy a bolygó milyen gyorsan melegszik tovább. Ez az eredmény nagy hatással lehet azokra a vonatkozó vitákra is, hogy az óceánok savasságában bekövetkező változásoknak lesz-e közvetlen hatása a szénmegkötés és az oxigéntermelés sebességére. Yee szerint azt a kérdést is érdemes feltenni, hogy az újonnan felfedezett mechanizmuson alapuló biotechnológiai megoldások fokozhatják-e a szénmegkötés folyamatát az éghajlatváltozás korlátozása érdekében.
Yee, aki jelenleg posztdoktori ösztöndíjas a francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ sejt- és növényfiziológiai laboratóriumában Grenoble-ban, büszke rá, hogy csapata új mechanizmust tudott felmutatni arra vonatkozóan, hogyan történik a fotoszintézis egy ilyen ökológiailag fontos életformában. És a munka persze még közel sem ért véget: „Beláthatjuk, hogy minél többet ismerünk meg, annál kevesebbet tudunk.”
