Vědci řeší miliardy let starou záhadu regulace fotosyntézy u bakterií

Fotosyntéza je proces, při kterém rostliny a jiné organismy přeměňují anorganické látky na organické pomocí světelné energie a barviva zvaného chlorofyl.

Fotosyntézu využívají nejen rostliny, ale také sinice, a dokonce i některé bakterie. Tento proces začal na Zemi již před více než třemi miliardami let, tedy dávno předtím, než se v atmosféře objevil volný kyslík. Přibližně před 2,5 miliardami let začaly sinice produkovat kyslík jako vedlejší produkt fotosyntézy. Zatímco pro mnoho forem života je kyslík nezbytný, pro organismy, které provádějí fotosyntézu, představuje hrozbu, protože reaktivní formy kyslíku mohou poškodit jejich buněčné struktury.

Aby se bakterie s tímto problémem vypořádaly, vyvinuly řadu ochranných mechanismů. Takzvané purpurové bakterie se uchýlily do prostředí bez kyslíku, samy ho neprodukují a zůstaly tak anaeroby, jako pradávné životní formy. Jiné fotosyntetické bakterie přivykly kyslíkatému prostředí, ale během dne zastavují produkci nového bakteriochlorofylu, při jehož syntéze vznikají škodlivé volné radikály. Své fotosyntetické systémy vyrábějí pouze během noci.

Polární světlo po dobu 24 hodin

Kromě toho si všechny fotosyntetizující organismy vyvinuly další obranné prostředky, jako jsou silné antioxidační sloučeniny, například karotenoidy, které chrání jejich fotosyntetický aparát před oxidačním poškozením.

„Za polárním kruhem je v létě světlo po celých 24 hodin. Aerobní bakterie tak nemají tmu na výrobu a opravu fotosyntetického aparátu. A přesto námi objevené bakterie dokážou svůj fotosyntetický aparát vyrábět a ochránit tak, aby nebyl světlem a kyslíkem poškozován. My se nyní snažíme odhalit mechanismy, jak je to vůbec možné a jak to dělají,“ říká David Kaftan z Centra Algatech Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni.

Jím popisované bakterie, které tvoří korálově červené kolonie, patří do rodu Sediminicoccus a pocházejí z malé říčky na severu Islandu. Zatím je zřejmé, že tyto polární bakterie, jejichž rodokmen sahá až do prahor, si vyvinuly unikátní regulační systém, jak minimalizovat poškození svého metabolismu kyslíkovými radikály.

„Pokud tyto polární bakterie vystavíme světlu, první dvě hodiny zaznamenáme výrazný pokles syntézy fotosyntetického aparátu, pak se ale znovu obnoví a během pár hodin dosáhne původní intenzity. Všechny dosud známé aerobní fotosyntetické bakterie však během osvětlení postupně vyblednou kvůli úplnému zastavení syntézy fotosyntetického aparátu a také pozvolnému ničení jejich pigmentů kyslíkovými radikály. Takové buňky pak potřebují tmu, aby vyrobily podle své DNA nové enzymy pro syntézu pigmentů. Co je večer vybledlé, najdeme ráno ve svěžích barvách. Námi objevená polární fototrofní bakterie ale zůstává pigmentovaná a fotosynteticky aktivní i v průběhu konstantního osvětlení,“ popisuje chování tajemných fotosyntetických bakterií David Kaftan.

Moderní metody molekulární biologie

Pro rozluštění záhady odolného fotosyntetického aparátu, který příroda vymyslela před miliardami let, používají jihočeští vědci molekulární techniky RNA sekvenování. Rutinně se používají teprve posledních zhruba 10 let. Pomocí nich vědci zjišťují, které geny se v daném okamžiku v buňce přepisují z templátu DNA a v jakém množství se budou podle nově nasyntetizované RNA vyrábět proteiny. Na základě tohoto profilu je možné zjistit, jak buněčný metabolismus reaguje na podněty a jaké regulační cesty se v danou chvíli aktivují.

I když jde zatím o základní výzkum, třeboňští molekulární biologové z Centra Algatech mají i představu o budoucím možném praktickém využití.

„V biotechnologii by se znalost regulačních a řídicích mechanismů dala použít při produkci cenných látek závislých na fotosyntéze. Nyní jsou světlo a kyslík někdy limitující, ale mohlo by se podařit upravit metabolismus produkčních mikroorganismů tak, abychom buňky před ním ochránili a zvýšili produkci požadovaných látek,“ doplňuje David Kaftan.

Kontakt:

Mgr. David Kaftan, Ph.D.
Mikrobiologický ústav AV ČR
Centrum Algatech, Třeboň