Energia niezbędna do podtrzymywania życia na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego. Jej wykorzystanie możliwe jest dzięki fotosyntezie. To ten proces sprowadził na nasz świat rewolucję. Dzięki niemu rośliny potrafią zamieniać światło i CO2 na energię, wytwarzając przy tym tlen. Fotosynteza sprawiła, że możemy oddychać, a rośliny dostarczają przy tym energii do ekosystemów. Teraz badacze odkryli nieznaną dotychczas bakterię należącą do niezwykle rzadkiego gatunku, który także wykorzystuje fotosyntezę. To mikroskopijny, „żywiący się” światłem mechanizm, który jest niepodobny do niczego dotychczas odkrytego.
Osiem lat temu w jeziorze Tian E Hu (Jezioro Łabędzie) na pustyni Gobi odkryto niezwykłą bakterię. Nowy organizm należy do rzadkiego rodzaju bakterii o nazwie Gemmatimonas i zawiera bakteriochlorofil, barwnik spokrewniony z chlorofilami występującymi w roślinach. Analiza genomu sugeruje, że mikrob ten korzysta z bardzo starej formy fotosyntezy.
- Architektura bakterii jest bardzo elegancka. To prawdziwe arcydzieło natury - mówi Michal Koblizek z Instytutu Mikrobiologii Czeskiej Akademii Nauk. - Charakteryzuje się nie tylko dobrą stabilnością strukturalną, ale także świetną wydajnością w przechwytywaniu światła – przekonuje.
Nowe badania zostały opublikowane w „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.abk3139).
Bakteria Gemmatimonas phototrophica, bo o niej mowa, nie jest pierwszym poznanym mikrobem zdolnym do przeprowadzania fotosyntezy. Jednak to, co dzieje się wewnątrz bakterii zamieszkującej pustynię Gobi, jest wyjątkowe. Jak sądzą badacze, w pewnym momencie ewolucji, „podkradła” ona cały zestaw genów związanych z fotosyntezą od starszego przodka z zupełnie innej gromady.
Pokazuje to potęgę zdolności drobnoustrojów do horyzontalnego transferu genów, procesu, który jest siłą napędową ewolucji bakterii. Ta sama cecha odpowiada za łatwe rozprzestrzenianie się oporności na antybiotyki. Jednak w tym przypadku, zdolność ta pozwoliła zupełnie innemu typowi organizmu uzyskać możliwość „odżywiania się” światłem słonecznym.
Nowa bakteria posiada centralny ośrodek reakcji, wewnętrzny pierścień przechwytujący światło słoneczne, spotykany wcześniej u innych bakterii, oraz nowy, nieznany dotąd typ pierścienia zewnętrznego. Kompleks przechwytujący światło jest większy, niż te opisane poprzednio.
Zewnętrzne pierścienie wychwytują światło słoneczne, a dodatkowy pierścień dodaje pasma absorpcji 800 i 816 nm do absorpcji 868 nm pierścienia wewnętrznego. Badania z wykorzystaniem mikroskopii krioelektronowej ujawniły szczegółową strukturę kompleksu, który składa się ze 178 pigmentów związanych z ponad 80 podjednostkami białkowymi.
Podjednostki zbierające światło są rozmieszczone w dwóch koncentrycznych pierścieniach wokół centrum reakcji, które zamieniają pochłoniętą energię świetlną na ładunek elektryczny. Ponieważ pigmenty w pierścieniu zewnętrznym mają wyższą energię niż pigmenty w środku pierścienia, cały układ pełni rolę lejka. Energia pochłonięta przez pigmenty na obrzeżach kompleksu jest przekazywana w ciągu kilku pikosekund wzdłuż gradientu energii do centrum kompleksu, gdzie jest przekształcana w energię metaboliczną.
Centrum reakcyjne G. phototrophica jest podobne do tych, które uczeni znają od proteobakterii i ma takie same chromofory, jak u innych znanych bakterii czerpiących energię ze światła słonecznego. Jednak nowo odkryta bakteria różni się ono od innych unikalnym układem cząsteczek stabilizujących.
Chociaż budowa tej fotosyntetyzującej struktury wymaga więcej energii, niż w innych znanych przypadkach, to badacze sądzą, że „może to być zrównoważone przez niezwykłą stabilność, a wytrzymałość kompleksu... prawdopodobnie stanowi przewagę ewolucyjną”.
- To strukturalne i funkcjonalne badanie ma ekscytujące implikacje, ponieważ pokazuje, że G. phototrophica niezależnie wykształciła własną, zwartą, wytrzymałą i wysoce efektywną architekturę do zbierania i wychwytywania energii słonecznej - mówi Pu Qian, biolog z Uniwersytetu w Sheffield.
Być może pewnego dnia naukowcy będą mogli wykorzystać sekrety fotosyntezy G. phototrophica, do opracowania lepszych struktur wychwytujących światło.
Źródło: Alpha Galileo, fot. Jason Dean BSc., Institute of Microbiology, Czech Academy of Sciences, Trebon
