Baktérie v chladnom polárnom potoku získavajú energiu zo svetla. Odborníci ale zatiaľ nedokázali odhaliť, ako ich fotosyntéza vlastne funguje. Miliardy rokov starú záhadu sa preto s pomocou molekulárnych metód snažia rozlúštiť českí vedci. Objav by mohol v budúcnosti pomôcť pri produkcii cenných látok závislých na fotosyntéze.
Fotosyntéza je proces, pri ktorom rastliny a iné organizmy premieňajú anorganické látky na organické pomocou svetelnej energie a farbiva nazývaného chlorofyl.
Fotosyntézu využívajú nielen rastliny, ale tiež sinice, a dokonca i niektoré baktérie. Tento proces začal na Zemi už pred viac než tromi miliardami rokov, teda dávno predtým, než sa v atmosfére objavil voľný kyslík. Približne pred 2,5 miliardy rokov začali sinice produkovať kyslík ako vedľajší produkt fotosyntézy. Zatiaľ čo pre mnoho foriem života je kyslík nevyhnutný, pre organizmy, ktoré prevádzajú fotosyntézu, predstavuje hrozbu, pretože reaktívne formy kyslíka môžu poškodiť ich bunkové štruktúry.
Aby sa baktérie s týmto problémom vysporiadali, vyvinuli celý rad ochranných mechanizmov. Takzvané purpurové baktérie sa uchýlili do prostredia bez kyslíka, samy ho neprodukujú a ostali tak anaeróbmi, ako pradávne životné formy. Iné fotosyntetické baktérie si privykli kyslíkatému prostrediu, ale počas dňa zastavujú produkciu nového baktériochlorofylu, pri ktorého syntéze vznikajú škodlivé voľné radikály. Svoje fotosyntetické systémy vyrábajú len počas noci.
Polárne svetlo po dobu 24 hodín
Okrem toho si všetky fotosyntetizujúce organizmy vyvinuli ďalšie obranné prostriedky, ako sú silné antioxidačné zlúčeniny, napríklad karotenoidy, ktoré chránia ich fotosyntetický aparát pred oxidačným poškodením.
„Za polárnym kruhom je v lete svetlo po celých 24 hodín. Aeróbne baktérie tak nemajú tmu na výrobu a opravu fotosyntetického aparátu. Aj tak nami objavené baktérie dokážu svoj fotosyntetický aparát vyrábať a ochrániť tak, aby nebol svetlom a kyslíkom poškodzovaný. My sa teraz snažíme odhaliť mechanizmy, ako je to vôbec možné a ako to robia,“ hovorí David Kaftan z Centra Algatech Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni.
Ním opisované baktérie, ktoré tvoria korálovo červené kolónie, patria do rodu Sediminicoccus a pochádzajú z malej riečky na severe Islandu. Zatiaľ je zrejmé, že tieto polárne baktérie, ktorých rodokmeň siaha až do prahôr, si vyvinuli unikátny regulačný systém, ako minimalizovať poškodenie svojho metabolizmu kyslíkovými radikálmi.
„Pokiaľ tieto polárne baktérie vystavíme svetlu, prvé dve hodiny zaznamenáme výrazný pokles syntézy fotosyntetického aparátu, potom sa ale znovu obnoví a počas pár hodín dosiahne pôvodnú intenzitu. Všetky dosiaľ známe aeróbne fotosyntetické baktérie však počas osvetlenia postupne vyblednú kvôli úplnému zastaveniu syntézy fotosyntetického aparátu, a tiež pozvoľnému ničeniu ich pigmentov kyslíkovými radikálmi. Také bunky potom potrebujú tmu, aby vyrobili podľa svojej DNA nové enzýmy pre syntézu pigmentov. Čo je večer vyblednuté, nájdeme ráno vo sviežich farbách. Nami objavená polárna fototrofná baktéria ale ostáva pigmentovaná a fotosynteticky aktívna i v priebehu konštantného osvetlenia,“ opisuje správanie tajomných fotosyntetických baktérií David Kaftan.
Moderné metódy molekulárnej biológie
Pre rozlúštenie záhady odolného fotosyntetického aparátu, ktorý príroda vymyslela pred miliardami rokov, používajú juhočeskí vedci molekulárne techniky RNA sekvenovania. Rutinne sa používajú ešte len asi 10 rokov. Pomocou nich vedci zisťujú, ktoré gény sa v danom okamžiku v bunke prepisujú z templátu DNA a v akom množstve sa budú podľa novo nasyntetizovanej RNA vyrábať proteíny. Na základe tohto profilu je možné zistiť, ako bunkový metabolizmus reaguje na podnety a aké regulačné cesty sa v danej chvíli aktivujú.
I keď ide zatiaľ o základný výskum, třeboňskí molekulárni biológovia z Centra Algatech majú aj predstavu o budúcom možnom praktickom využití.
„V biotechnológii by sa znalosť regulačných a riadiacich mechanizmov dala použiť pri výrobe cenných látok závislých na fotosyntéze. Teraz sú svetlo a kyslík niekedy limitujúce, ale mohlo by sa podariť upraviť metabolizmus produkčných mikroorganizmov tak, aby sme bunky pred ním ochránili a zvýšili produkciu požadovaných látok,“ uzatvára David Kaftan.
Autor: Mgr. David Kaftan, Ph.D., Mikrobiologický ústav AV ČR, Centrum Algatech, Třeboň.
Odkaz na publikáciu: Tomasch J., Kopejtka K., Bílý T., Gardiner A. T., Gardian Z., Shivaramu S., Koblížek M., Kaftan D. (2024). A photoheterotrophic bacterium from Iceland has adapted its photosynthetic machinery to the long days of polar summer. mSystems 0:e01311-23.
Zdroj: Vědci řeší miliardy let starou záhadu regulace fotosyntézy u bakterií, 27. 3. 2024.