اسرار فتوسنتز در سطح اتمی کشف شده است و نور جدید مهمی را بر این ابرقدرت گیاهی می اندازد که بیش از یک میلیارد سال پیش زمین را سبز کرد.
محققان مرکز جان اینس از یک روش میکروسکوپی پیشرفته به نام cryo-EM برای کشف چگونگی ساخت پروتئین‌های فتوسنتزی استفاده کردند.
این مطالعه که در Cell منتشر شده است، مدل و منابعی را برای تحریک اکتشافات اساسی بیشتر در این زمینه و کمک به اهداف بلندمدت توسعه محصولات انعطاف‌پذیرتر ارائه می‌کند.
دکتر مایکل وبستر، رهبر گروه و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: “رونویسی ژن های کلروپلاست یک گام اساسی در ساخت پروتئین های فتوسنتزی است که انرژی لازم برای رشد گیاهان را فراهم می کند. ما امیدواریم که با درک بهتر این فرآیند – در سطح مولکولی دقیق – ما محققانی را که به دنبال توسعه گیاهان با فعالیت فتوسنتزی قوی تر هستند، مجهز خواهیم کرد.”
“مهم ترین نتیجه این کار ایجاد یک منبع مفید است. محققان می توانند مدل اتمی ما از کلروپلاست پلیمراز را دانلود کرده و از آن برای تولید فرضیه های خود در مورد نحوه عملکرد آن و استراتژی های تجربی که آنها را آزمایش می کند استفاده کنند.”
فتوسنتز در داخل کلروپلاست‌ها انجام می‌شود، محفظه‌های کوچکی در سلول‌های گیاهی که حاوی ژنوم خودشان هستند، و منعکس‌کننده گذشته آنها به‌عنوان باکتری‌های فتوسنتزی زنده قبل از غرق شدن و انتخاب شدن توسط گیاهان هستند.
گروه وبستر در مرکز جان اینس به بررسی چگونگی ساخت پروتئین‌های فتوسنتزی توسط گیاهان می‌پردازد، ماشین‌های مولکولی که این واکنش شیمیایی زیبا را انجام می‌دهند و دی اکسید کربن و آب اتمسفر را به قندهای ساده تبدیل می‌کنند و اکسیژن را به عنوان یک محصول فرعی تولید می‌کنند. اولین مرحله در تولید پروتئین رونویسی است، جایی که یک ژن برای تولید “RNA پیام رسان” خوانده می شود. این فرآیند رونویسی توسط آنزیمی به نام RNA پلیمراز انجام می شود.
50 سال پیش کشف شد که کلروپلاست ها حاوی RNA پلیمراز منحصر به فرد خود هستند. از آن زمان، دانشمندان از پیچیدگی این آنزیم شگفت زده شده اند. زیرواحدهای بیشتری نسبت به جد خود یعنی RNA پلیمراز باکتریایی دارد و حتی از RNA پلیمرازهای انسانی نیز بزرگتر است.
گروه وبستر می خواست بفهمد که چرا کلروپلاست ها چنین RNA پلیمراز پیچیده ای دارند. برای انجام این کار، آنها نیاز به تجسم ساختار ساختاری RNA پلیمراز کلروپلاست داشتند.
تیم تحقیقاتی از روشی به نام میکروسکوپ الکترونی برودتی (cryo-EM) برای تصویربرداری از نمونه‌های کلروپلاست RNA پلیمراز خالص‌شده از گیاهان خردل سفید استفاده کردند. با پردازش این تصاویر، آنها توانستند مدلی بسازند که موقعیت بیش از 50000 اتم را در مجموعه مولکولی دارد.
کمپلکس RNA پلیمراز شامل 21 زیر واحد است که در دو ژنوم هسته و کلروپلاست کدگذاری شده اند. تجزیه و تحلیل دقیق این ساختار، در حالی که رونویسی را انجام می دهد، به محققان این امکان را داد که شروع به توضیح عملکرد این اجزا کنند.
این مدل به آنها اجازه داد تا پروتئینی را شناسایی کنند که با DNA در حال رونویسی است و آن را به سمت محل فعال آنزیم هدایت می کند. جزء دیگر می تواند با mRNAی که در حال تولید است تعامل داشته باشد که احتمالاً از آن در برابر پروتئین هایی محافظت می کند که قبل از تبدیل شدن به پروتئین، آن را تجزیه می کنند. دکتر وبستر گفت: “ما می دانیم که هر یک از اجزای RNA پلیمراز کلروپلاست نقش حیاتی دارد، زیرا گیاهانی که فاقد هر یک از آنها هستند، نمی توانند پروتئین های فتوسنتزی بسازند و در نتیجه نمی توانند سبز شوند. ما در حال مطالعه مدل های اتمی با دقت هستیم تا مشخص کنیم که چه نقشی دارد. برای هر یک از 21 جزء مجموعه.”
منبع: jic.ac.uk