العلماء يفتحون الأسرار النووية لعملية التمثيل الضوئي

أسرار البناء الضوئي تم الكشف عن المصنع على نطاق ذري، ويوفر رؤى جديدة رائعة حول القوة العظمى التي حولت الأرض إلى مناظر طبيعية خضراء قبل مليار سنة.

استخدم الباحثون في مركز جون إينيس تقنية مجهرية متقدمة تسمى cryo-EM للتحقيق في كيفية تصنيع بروتينات التمثيل الضوئي.

دراسة، منشورة يذهب، فهو يوفر نموذجًا وموارد لتحفيز المزيد من الابتكار الأساسي في هذا المجال وللمساعدة في تحقيق الأهداف طويلة المدى لتطوير محاصيل أكثر مرونة.

فهم إنتاج البروتين الضوئي

وقال الدكتور مايكل ويبستر، قائد الفريق والمؤلف المشارك في الورقة: “إن نسخ جينات البلاستيدات الخضراء يعد خطوة أساسية في صنع بروتينات التمثيل الضوئي التي توفر الطاقة التي تحتاجها النباتات للنمو. ومن خلال فهم هذه العملية بشكل أفضل – بشكل جزيئي مفصل” المستوى – سوف نقوم بتزويد الباحثين الذين يرغبون في تطوير النباتات بنشاط ضوئي أكثر قوة.

“النتيجة الأكثر أهمية لهذا العمل هي إنشاء مورد مفيد. يمكن للباحثين تنزيل نموذج ذري لبوليميراز البلاستيدات الخضراء واستخدامه لتطوير فرضياتهم الخاصة حول كيفية عمله والاستراتيجيات التجريبية لاختبارها.

تتم عملية التمثيل الضوئي داخل البلاستيدات الخضراء، وهي حجيرات صغيرة داخل الخلايا النباتية تحتوي على الجينوم الخاص بها، مما يعكس ماضيها كبكتيريا حية حرة تبتلعها النباتات وتستعين بها.

عرض جزيء البوليميراز الذي ينقل جينات التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء النباتية. تم تسلسل صور الجزيئات الفردية التي تم جمعها بواسطة المجهر الإلكتروني ومواءمتها للكشف عن تفاصيل البنية الهيكلية لمجمع البروتين. الائتمان: مايكل ويبستر وإيشيكا برامانيك

يدرس فريق ويبستر في مركز جون إينيس كيفية صنع النباتات لبروتينات التمثيل الضوئي، وهي الآلات الجزيئية التي تسبب هذه التفاعلات الكيميائية الأنيقة، وتحول ثاني أكسيد الكربون والماء الموجود في الغلاف الجوي إلى سكريات بسيطة، وتنتج الأكسجين كمنتج ثانوي.

الخطوة الأولى في إنتاج البروتين هي النسخ، حيث تتم قراءة الجين لإنتاج “رسول” الحمض النووي الريبي'. تتم عملية النسخ هذه بواسطة إنزيم يسمى بوليميراز RNA.

مجمع بوليميريز RNA البلاستيدات الخضراء

لقد تم اكتشافه منذ أكثر من 50 عامًا أن البلاستيدات الخضراء لها بوليميراز RNA فريد خاص بها. ومنذ ذلك الحين، اندهش العلماء من مدى تعقيد هذا الإنزيم. يحتوي على وحدات فرعية أكثر من سلفه، بوليميراز الحمض النووي الريبي البكتيري، وهو أكبر من بوليميرات الحمض النووي الريبي البشري.

أراد فريق ويبستر أن يفهم سبب احتواء البلاستيدات الخضراء على مثل هذه البوليميرات الحمض النووي الريبوزي (RNA) المتطورة. وللقيام بذلك، احتاجوا إلى تصور البنية الهيكلية لبوليميراز RNA البلاستيدات الخضراء.

استخدم فريق البحث تقنية تسمى المجهر الإلكتروني المبرد (cryo-EM) لتصوير عينات من بوليميريز RNA البلاستيدات الخضراء المنقى من نباتات الخردل الأبيض.

رؤى من التحليل على المستوى الذري

ومن خلال معالجة هذه الصور، كان من الممكن إنشاء نموذج يحتوي على مواقع أكثر من 50000 ذرة في المجمع الجزيئي.

يتكون مجمع بوليميريز الحمض النووي الريبي (RNA) من 21 وحدة فرعية مشفرة في كل من الجينات النووية والبلاستيدات الخضراء. سمح التحليل الدقيق لهذا الهيكل للباحثين بتوضيح وظائف هذه العناصر أثناء قيامهم بالنسخ.

سمح لهم النموذج بتحديد البروتين الذي يتفاعل معه الحمض النووي إنه يوجه عملية النسخ والموقع النشط للإنزيم.

وقد يتفاعل مكون آخر مع الرنا المرسال الذي يتم إنتاجه، مما يحميه من البروتينات التي تحلله قبل ترجمته إلى بروتين.

وقال الدكتور ويبستر: “نحن نعلم أن كل مكون من مكونات بوليميريز RNA البلاستيدات الخضراء يلعب دورًا مهمًا لأن النباتات التي لا تحتوي على أي منها لا تستطيع صنع بروتينات التمثيل الضوئي وبالتالي لا يمكن أن تتحول إلى اللون الأخضر. لقد قمنا بدراسة النماذج النووية بعناية للإشارة إلى دور كل من هذه العناصر”. 21 مكونات الجمعية.

وقال المؤلف الأول المشترك الدكتور أنجيل فيرجارا كروسيس: “الآن بعد أن أصبح لدينا نموذج هيكلي، فإن الخطوة التالية هي تأكيد دور بروتينات نسخ البلاستيدات الخضراء. ومن خلال الكشف عن آليات نسخ البلاستيدات الخضراء، توفر دراستنا نظرة ثاقبة لنمو النبات وتكيفه”. ودورها في الاستجابة للظروف البيئية.”

المؤلف المشارك الأول د. قال إيشيكا برامانيك: “كانت هناك العديد من اللحظات المذهلة في هذه المهمة الرائعة، بدءًا من عملية تنقية البروتين الأكثر تحديًا، والتقاط صور مذهلة باستخدام تقنية cryo-EM لهذا البروتين المعقد للغاية، وأخيرًا رؤية عملنا في نسخة مطبوعة”.

وخلص الدكتور ويبستر إلى أن “درجة الحرارة والجفاف والملوحة تحد من قدرة النباتات على التمثيل الضوئي. والنباتات التي يمكنها إنتاج بروتينات التمثيل الضوئي بشكل موثوق في مواجهة الضغوط البيئية قد تنظم بشكل تفاضلي نسخ البلاستيدات الخضراء. ونتوقع أن يتم استخدام عملنا في الجهود المهمة لتطوير المزيد محاصيل قوية.”

المرجع: أنجيل فيرجارا-كروز، إيشيكا برامانيك، ديفيد بيرس، فينود ك. فوجرالا، ماثيو ج. بيرن، جايسون ك. لو ومايكل دبليو. ويبستر، 29 فبراير 2024، “البنية النباتية لبوليميراز الحمض النووي الريبي المشفر بالبلاستيد”. يذهب.
دوى: 10.1016/j.cell.2024.01.036