מדענים חושפים סודות אטומיים של פוטוסינתזה

המסתורין של פוטוסינתזה נחשפו ברמה האטומית, ומספקים תובנות חדשות ומשמעותיות לגבי מעצמת העל הצמחית הזו שהפכה את כדור הארץ לנוף ירוק לפני למעלה ממיליארד שנים.

חוקרי מרכז ג'ון אינס השתמשו בשיטת מיקרוסקופיה מתקדמת בשם cryo-EM כדי לחקור כיצד נוצרים החלבונים הפוטוסינתטיים.

המחקר, שפורסם ב תָא, מציג מודל ומשאבים כדי לעורר גילויים בסיסיים נוספים בתחום זה ולסייע למטרות ארוכות טווח של פיתוח יבולים עמידים יותר.

הבנת ייצור חלבון פוטוסינתטי

ד"ר מייקל וובסטר, ראש קבוצה ומחבר שותף של המאמר אמר: "תעתוק גנים של כלורופלסט הוא צעד בסיסי בהכנת החלבונים הפוטוסינתטיים המספקים לצמחים את האנרגיה הדרושה להם כדי לגדול. אנו מקווים שעל ידי הבנת התהליך הזה טוב יותר – ברמה המולקולרית המפורטת – נצייד חוקרים המעוניינים לפתח צמחים בעלי פעילות פוטוסינתטית חזקה יותר".

"התוצאה החשובה ביותר של עבודה זו היא יצירת משאב שימושי. החוקרים יכולים להוריד את המודל האטומי שלנו של פולימראז הכלורופלסט ולהשתמש בו כדי לייצר השערות משלהם לגבי אופן הפעולה שלו ואסטרטגיות ניסוי שיבדקו אותן."

פוטוסינתזה מתרחשת בתוך כלורופלסטים, תאים קטנים בתוך תאי צמחים המכילים גנום משלהם, המשקפים את עברם כחיידקים פוטוסינתטיים חיים חופשיים לפני שהם נבלעו וצורפו על ידי צמחים.

קבוצת וובסטר במרכז ג'ון אינס חוקרת כיצד צמחים מייצרים חלבונים פוטוסינתטיים, המכונות המולקולריות שגורמות לתגובה הכימית האלגנטית הזו להתרחש, הממירות פחמן דו חמצני ומים אטמוספריים לסוכרים פשוטים ומייצרות חמצן כתוצר לוואי.

השלב הראשון בייצור חלבון הוא שעתוק, שבו קוראים גן כדי לייצר 'שליח' RNA'. תהליך שעתוק זה נעשה על ידי אנזים הנקרא RNA פולימראז.

המורכבות של כלורופלסט RNA Polymerase

לפני 50 שנה התגלה שכלורופלסטים מכילים RNA פולימראז ייחודי משלהם. מאז הופתעו מדענים עד כמה האנזים הזה מורכב. יש לו יותר יחידות משנה מאשר האב הקדמון שלו, ה-RNA פולימראז החיידקי, והוא אפילו גדול יותר מפולימראזות ה-RNA האנושיות.

קבוצת וובסטר רצתה להבין מדוע לכלורופלסטים יש פולימראז RNA מתוחכם כל כך. לשם כך הם היו צריכים לדמיין את הארכיטקטורה המבנית של פולימראז ה-RNA של הכלורופלסט.

צוות המחקר השתמש בשיטה הנקראת מיקרוסקופיה אלקטרונית קריוגנית (cryo-EM) כדי לצלם דגימות של פולימראז RNA של כלורופלסט שטוהר מצמחי חרדל לבן.

תובנות מניתוח ברמה אטומית

על ידי עיבוד התמונות הללו, הם הצליחו לבנות מודל המכיל את מיקומם של יותר מ-50,000 אטומים בקומפלקס המולקולרי.

קומפלקס ה-RNA פולימראז כולל 21 יחידות משנה המקודדות בשני הגנומים, גרעיני וכלורופלסט. ניתוח מדוקדק של מבנה זה, בזמן שהוא מבצע תעתיק, אפשר לחוקרים להתחיל להסביר את הפונקציות של רכיבים אלה.

המודל אפשר להם לזהות חלבון שמקיים אינטראקציה עם DNA בזמן שהוא מתעתק ומנחה אותו לאתר הפעיל של האנזים.

רכיב אחר יכול לקיים אינטראקציה עם ה-mRNA שמיוצר, שכנראה מגן עליו מפני חלבונים שיפרקו אותו לפני שהוא יתורגם לחלבון.

ד"ר וובסטר אמר: "אנחנו יודעים שלכל רכיב של פולימראז הכלורופלסט RNA יש תפקיד חיוני מכיוון שצמחים שחסרים כל אחד מהם אינם יכולים לייצר חלבונים פוטוסינתטיים, וכתוצאה מכך אינם יכולים להפוך לירוקים. אנחנו בוחנים את המודלים האטומיים בקפידה כדי לקבוע מה התפקיד של כל אחד מ-21 מרכיבי המכלול".

המחבר הראשון המשותף ד"ר אנגל ורגרה-קרוסס אמר: "כעת, כשיש לנו מודל מבני, השלב הבא הוא לאשר את תפקידם של חלבוני השעתוק של הכלורופלסט. על ידי חשיפת מנגנונים של שעתוק כלורופלסט, המחקר שלנו מציע תובנה לגבי תפקידו בצמיחה והסתגלות של צמחים ותגובה לתנאי הסביבה."

הסופרת הראשונה המשותפת, ד"ר אישיקה פראמניק, אמרה: "היו הרבה רגעים מפתיעים במסע העבודה המדהים הזה, החל בטיהור החלבון המאתגר מאוד ועד לצילום תמונות קריו-EM מדהימות של החלבון המורכב העצום הזה ועד סוף סוף לראות את העבודה שלנו בגרסה מודפסת. ”

ד"ר וובסטר סיכם: "חום, בצורת ומליחות מגבילים את יכולתו של צמחים לבצע פוטוסינתזה. צמחים שיכולים לייצר חלבונים פוטוסינתטיים בצורה מהימנה מול מתח סביבתי עשויים לשלוט על שעתוק כלורופלסט בצורה שונה. אנו מצפים לראות את העבודה שלנו משמשת במאמץ החשוב לפתח יבולים חזקים יותר."