תמונת מצב תלת מימדית מהפכנית חושפת את המכונה הסודית מאחורי הפוטוסינתזה

חוקרים מהנובר וגטינגן יצרו בהצלחה הדמיות תלת מימדיות של מכונות ההעתקה של הכלורופלסטים.

להישרדות החיים על פני כדור הארץ, התהליך שבו פועלים צמחים פוטוסינתזה לייצור חמצן ואנרגיה כימית באמצעות אור השמש הוא חיוני. מדענים מגטינגן והנובר השיגו כעת פריצת דרך על ידי יצירת הדמיה תלת מימדית ברזולוציה גבוהה של מנגנון ההעתקה של הכלורופלסטים, RNA פולימראז PEP, בפעם הראשונה. המבנה המורכב הזה מציע נקודות מבט חדשות על הפעולה וההיסטוריה האבולוציונית של המנגנון הסלולרי החיוני הזה, המסייע בפירוש השרטוטים הגנטיים של חלבונים המעורבים בפוטוסינתזה.

ללא פוטוסינתזה, לא יהיה אוויר לנשימה – הוא הבסיס לכל החיים על פני כדור הארץ. תהליך מורכב זה מאפשר לצמחים להמיר פחמן דו חמצני ומים לאנרגיה כימית וחמצן באמצעות אנרגיית אור מהשמש. ההמרה מתרחשת בכלורופלסטים, לב הפוטוסינתזה. כלורופלסטים התפתחו במהלך האבולוציה כאשר אבותיהם של תאי הצמח של ימינו ספגו ציאנובקטריה פוטוסינתטית. עם הזמן, החיידק נעשה יותר ויותר תלוי ב"תא המארח" שלו, אך שמר על כמה פונקציות משמעותיות כמו פוטוסינתזה וחלקים מהגנום החיידקי. לכן לכלורופלסט עדיין יש משלו DNAהמכיל את השרטוטים לחלבונים חיוניים של "מכונות הפוטוסינתזה".

עם PEP לאנרגיה

"מכונת העתקה מולקולרית ייחודית, RNA פולימראז הנקרא PEP, קוראת את ההוראות הגנטיות מהחומר הגנטי של הכלורופלסטים", מסביר פרופ' ד"ר האוקה הילן, ראש קבוצת המחקר במכון מקס פלנק (MPI) למדעים רב-תחומיים, פרופסור ב- המרכז הרפואי האוניברסיטאי גטינגן וחבר באשכול המצוינות של גטינגן "Multiscale Bioimaging" (MBExC). היא חיונית להפעלת הגנים הנדרשים לפוטוסינתזה, מדגישה הילן. ללא PEP מתפקד, צמחים אינם יכולים לבצע פוטוסינתזה ולהישאר לבנים במקום להפוך לירוק.

לא רק תהליך ההעתקה מורכב, אלא גם מכונת ההעתקה עצמה: היא מורכבת מתסביך ליבה מרובה תת-יחידות, שחלקי החלבון שלו מקודדים בגנום הכלורופלסט, ולפחות שנים עשר חלבונים קשורים, הנקראים PAPs. הגנום הגרעיני של התא הצמחי מספק את השרטוטים עבור אלה. "עד כה, הצלחנו לאפיין כמה חלקים בודדים של מכונת ההעתקה של הכלורופלסט מבחינה מבנית וביוכימית, אבל חסרה לנו תובנה מדויקת לגבי המבנה הכללי שלה ותפקודים של ה-PAPs הבודדים", אומר פרופ' ד"ר תומס פפנשמידט, פרופסור. במכון לבוטניקה באוניברסיטת לייבניץ בהנובר.

תמונת מצב מפורטת בתלת מימד

בשיתוף פעולה הדוק, חוקרים בראשות Hauke ​​Hillen ותומאס Pfannschmidt הצליחו כעת לראשונה להמחיש קומפלקס PEP בן 19 תת-יחידות בתלת-ממד ברזולוציה של 3.5 אנגסטרם – פי 35 מיליון קטן ממילימטר.

"בודדנו PEP שלמים מחרדל לבן, צמח מודל טיפוסי בחקר צמחים", מתאר פרדריק אהרן, חבר בצוות של פאנשמידט ואחד המחברים הראשונים של המחקר שפורסם כעת בכתב העת תא מולקולרי. בעזרת מיקרוסקופ קריו-אלקטרון, המדענים יצרו מודל תלת-ממדי מפורט של קומפלקס PEP בן 19 חלקים. לשם כך, הדגימות הוקפאו במהירות אולטרה-מהירה. לאחר מכן החוקרים צילמו את מכונת ההעתקה אלפי פעמים ועד לרמה האטומית מזוויות רבות ושילבו אותן לתמונה כוללת באמצעות חישובי מחשב מסובכים.

"תמונת המצב המבנית הראתה שליבת ה-PEP דומה לאלו שבפולימראזות אחרות של RNA, כמו בחיידקים או בגרעין התא של תאים גבוהים יותר. עם זאת, הוא מכיל תכונות ספציפיות לכלורופלסט שמתווך את האינטראקציות עם ה-PAPs. את האחרונים אנו מוצאים רק בצמחים והם ייחודיים במבנה שלהם", מסבירה פאולה פבורטי ויטל דו פראדו, דוקטורנטית ב-MPI, חברה במכללת Hertha Sponer של MBExC, וגם המחברת הראשונה של המחקר. מדענים כבר הניחו שה-PAPs ממלאים פונקציות אינדיבידואליות בקריאת הגנים של הפוטוסינתזה. "כפי שיכולנו להראות, החלבונים מסדרים את עצמם בצורה מיוחדת סביב ליבת ה-RNA פולימראז. בהתבסס על המבנה שלהם, סביר להניח שה-PAP מקיים אינטראקציה עם קומפלקס הליבה בדרכים שונות ומעורבים בתהליך קריאת הגנים", מוסיף הילן.

הבנת התפתחות הפוטוסינתזה

שיתוף הפעולה המחקרי השתמש גם במאגרי מידע כדי לחפש רמזים אבולוציוניים. הם רצו לברר אם הארכיטקטורה הנצפית של מכונת ההעתקה דומה במפעלים אחרים. "התוצאות שלנו מצביעות על כך שהמבנה של מתחם ה-PEP זהה בכל מפעלי הקרקע", אומר פאנשמידט. הממצאים החדשים על תהליך ההעתקה של DNA של כלורופלסט עוזרים לנו להבין טוב יותר את המנגנונים הבסיסיים של הביוגנזה של מכונות הפוטוסינתזה. הם עשויים להיות בעלי ערך גם עבור יישומים ביוטכנולוגיים בעתיד.

המחקר מומן על ידי קרן המחקר הגרמנית (FOR2848, SFB1565, PF323-7 ו-SPP 2237 MadLand (PF323-9)) ובמסגרת אסטרטגיית המצוינות (EXC 2067/1 – 390729940) באמצעות Cluster of Excellence "Multiscale Bioimaging: From Molecular Machines to Networks of Excitable Cells" (MBExC) וכן על ידי מועצת המחקר האירופית (ERC) במסגרת תוכנית ה-EU Horizon 2020 עם ERC Starting Grant MitoRNA (הסכם מענק מס' 101116869).