_ Cercetătorii reușesc să genereze Vizualizări 3D ale mașinilor de copiat ale cloroplastelor

Pentru viața pe Pământ, este esențial ca plantele să efectueze fotosinteza și, în cele din urmă, să producă oxigen și energie chimică cu ajutorul luminii solare. Cercetătorii de la Göttingen și Hanovra au reușit acum pentru prima dată să vizualizeze mașina de copiat a cloroplastelor, ARN polimeraza PEP, în 3D de înaltă rezoluție.

Structura detaliată oferă noi perspective asupra funcției și evoluției această mașină celulară complexă, care joacă un rol central în citirea instrucțiunilor genetice pentru proteinele de fotosinteză.

Fără fotosinteză, nu ar exista aer de respirat — este baza întregii vieți de pe Pământ. Acest proces complex permite plantelor să transforme dioxidul de carbon și apa în energie chimică și oxigen folosind energia luminoasă de la soare. Conversia are loc în cloroplaste, inima fotosintezei.

Cloroplastele s-au dezvoltat în cursul evoluției când strămoșii celulelor vegetale de astăzi au absorbit o cianobacterie fotosintetică. De-a lungul timpului, bacteria a devenit din ce în ce mai dependentă de „celula gazdă”, dar și-a menținut unele funcții semnificative, cum ar fi fotosinteza și părți ale genomului bacterian. Prin urmare, cloroplastul are încă propriul său ADN, care conține modelele pentru proteinele esențiale ale „mașinării de fotosinteză”.

„O mașină unică de copiere moleculară, o ARN polimerază numită PEP, citește instrucțiunile genetice din cloroplaste. „material genetic”, explică prof. dr. Hauke ​​Hillen, lider de grup de cercetare la Institutul Max Planck (MPI) pentru Științe Multidisciplinare, profesor la Centrul Medical Universitar Göttingen și membru al Clusterului de Excelență „Multiscale Bioimaging” (MBExC) din Göttingen. .

Este esențial pentru activarea genelor necesare fotosintezei, subliniază Hillen. Fără un PEP funcțional, plantele nu pot fotosintetiza și rămân albe în loc să devină verzi.

Nu doar procesul de copiere este complex, ci și mașina de copiat în sine: este alcătuită dintr-un complex de miez cu mai multe subunități, a cărui proteine părțile sunt codificate în genomul cloroplastului și cel puțin 12 proteine ​​asociate, numite PAP. Genomul nuclear al celulei vegetale oferă modelele pentru acestea.

„Până acum, am reușit să caracterizăm unele părți individuale ale mașinii de copiat a cloroplastelor din punct de vedere structural și biochimic, dar ne-a lipsit o perspectivă precisă asupra acesteia. structura generală și funcțiile PAP-urilor individuale”, spune prof. dr. Thomas Pfannschmidt, profesor la Institutul de Botanică de la Universitatea Leibniz din Hanovra.

În strânsă colaborare, cercetătorii conduși de Hauke ​​Hillen și Thomas Pfannschmidt au acum a reușit pentru prima dată să vizualizeze un complex PEP de 19 subunități în 3D la o rezoluție de 3,5 angstromi — de 35 de milioane de ori mai mică decât un milimetru.

„Am izolat PEP-urile intacte din muștarul alb, un model tipic. plante în cercetarea plantelor", descrie Frederik Ahrens, membru al echipei lui Pfannschmidt și unul dintre primii autori ai studiului publicat acum în revista Molecular Cell.

Folosind microscopia crio-electronică, oamenii de știință au creat apoi un model 3D detaliat al complexului PEP din 19 părți. Pentru aceasta, probele au fost congelate rapid ultrarapid. Cercetătorii au fotografiat apoi mașina de copiat de mii de ori și până la nivelul atomic din numeroase unghiuri și le-au combinat într-o imagine de ansamblu folosind calcule computerizate complicate.

„Instantaneul structural a arătat că miezul PEP este similar cu cel din alte ARN polimeraze, cum ar fi bacteriile sau nucleul celular al celulelor superioare. Cu toate acestea, conține caracteristici specifice cloroplastelor care mediază interacțiunile cu PAP-urile. Acestea din urmă le găsim doar în plante și sunt unice în structura lor", explică Paula Favoretti Vital do Prado, Ph.D. student la MPI, membru al Colegiului Hertha Sponer al MBExC și, de asemenea, primul autor al studiului.

Oamenii de știință au presupus deja că PAP-urile îndeplinesc funcții individuale în citirea genelor de fotosinteză. „După cum am putea arăta, proteinele se aranjează într-un mod special în jurul miezului ARN polimerazei. Pe baza structurii lor, este probabil ca PAP-urile să interacționeze cu complexul de bază în diferite moduri și să fie implicate în procesul de citire a genelor”, Hillen. adaugă.

Colaborarea de cercetare a folosit și baze de date pentru a căuta indicii evolutive. Au vrut să afle dacă arhitectura observată a mașinii de copiat este similară la alte plante.

„Rezultatele noastre indică faptul că structura complexului PEP este aceeași în toate plantele terestre”, spune Pfannschmidt. Noile descoperiri privind procesul de copiere a ADN-ului cloroplast ne ajută să înțelegem mai bine mecanismele fundamentale ale biogenezei mașinilor de fotosinteză. Ele ar putea fi, de asemenea, valoroase pentru aplicații biotehnologice în viitor.

(Fluierul)