Blízcí příbuzní prvních eukaryot využívají světlo jinak, než se doposud myslelo

Mezinárodní výzkumný tým, jehož součástí jsou i vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR – Centra Algatech v Třeboni, popsal nový typ mechanismu zachycování světelné energie u málo probádané skupiny mořských mikroorganismů – archeí. Studie publikovaná v prestižním časopise Nature Microbiology ukazuje, že tyto mikroorganismy využívají rodopsiny s přídavnou karotenoidovou anténou pro účinnější zachycení světelné energie.

Práce popisuje dosud neznámý světlosběrný aparát u mořských archeí ze skupiny Asgard. Tyto mikroorganismy jsou v posledních letech intenzivně studovány jako pravděpodobní přímí předchůdci pokročilejších eukaryotních organismů, kam patří všechny „vyšší formy“ života, včetně rostlin a živočichů. Jelikož skupinu Asgard dosud nelze kultivovat v laboratorních podmínkách, jsou vědci při jejím výzkumu odkázáni na analýzu environmentální DNA odebrané z mořského prostředí.

MBÚ AV ČR / Michal Koblížek: Blízcí příbuzní prvních eukaryot využívají světlo jinak, než se doposud myslelo (Oceánografická loď v severním Atlantiku, ilustrační foto.)

V počítačově rekonstruovaných genomech těchto organismů byly objeveny geny pro speciální mikrobiální rodopsiny – světlem aktivované proteiny, které po ozáření přenášejí protony přes buněčnou membránu. Přispívají tak k tvorbě ATP neboli adenosintrifosfátu, klíčové molekuly v živých organismech, jenž slouží jako primární zdroj energie pro různé buněčné procesy. Na rozdíl od běžných rodopsinů známých např. ze zrakového aparátu živočichů, nově popsané rodopsiny obsahují přídavné světlosběrné antény tvořené hydroxylovanými karotenoidy, jako jsou lutein, diatoxanthin a fukoxanthin, které umožňují efektivní zachycení modrého světla běžného v oceánu.

Mezinárodní výzkumný tým tvořili vědci z Izraele, Japonska, Německa, Švýcarska a České republiky. „Naším úkolem bylo připravit čisté karotenoidy potřebné k vytvoření funkčních rodopsinů v laboratorních podmínkách a umožnit tak experimentálně ověřit jejich světlosběrnou funkci,“ vysvětluje Daniela Bárcenas-Pérez z laboratoře řasové biotechnologie v Centru Algatech při Mikrobiologickém ústavu AV ČR.

„Objev významně rozšiřuje naše chápání vývoje světlem poháněné fototrofie, tedy využívání světla k získání buněčné energie ATP, u mikroorganismů žijících v mořském prostředí. Výzkum fotosyntetických systémů u různých typů mikroorganismů – archeí, bakterií, sinic a řas – přispívá k budoucímu biotechnologickému vývoji fotosensitivních membrán,“ doplňuje Michal Koblížek z Mikrobiologického ústavu AV ČR, který se spolu s Danielou Bárcenas-Pérez a Josém Cheelem Hornou podílel na výzkumu za českou stranu.

MBÚ AV ČR: Blízcí příbuzní prvních eukaryot využívají světlo jinak, než se doposud myslelo (Na fotografii je Daniela Bárcenas-Pérez v laboratoři)

Více informací: Doc. Michal Koblížek, Ph.D. / [email protected]

Mikrobiologický ústav AV ČR – Centrum Algatech je detašované pracoviště v Třeboni, které se již od roku 1960 zabývá studiem fototrofních mikroorganismů, tedy takových, které využívají ke svému životu světelnou energii. Výzkumníci se zde zabývají jak základním výzkumem (biochemií, molekulární genetikou fotosyntézy), tak aplikovaným výzkumem mikrořas, sinic a fototrofních bakterií.
Tento výzkum byl podpořen z programu OP JAK, projektu Photomachines.

Publikace: Structural insights into light harvesting by antenna-containing rhodopsins in marine Asgard archaea

Abstract: Aquatic bacterial rhodopsin proton pumps harvest light energy for photoheterotrophic growth and are known to contain hydroxylated carotenoids that expand the wavelengths of light utilized, but these have not been characterized in marine archaea. Here, by combining a marine chromophore extract with purified archaeal rhodopsins identified in marine metagenomes, we show light energy transfer from diverse hydroxylated carotenoids to heimdallarchaeial rhodopsins (HeimdallRs) from uncultured marine planktonic members of ‘Candidatus Kariarchaeaceae’ (‘Candidatus Asgardarchaeota’). These light-harvesting antennas absorb in the blue-light range and transfer energy to the green-light-absorbing retinal chromophore within HeimdallRs, enabling the use of light that is otherwise unavailable to the rhodopsin. Furthermore, we show elevated proton pumping by the antennas in HeimdallRs under white-light illumination, which better simulates the light conditions encountered by these archaea in their natural habitats. Our results indicate that light-harvesting antennas in microbial rhodopsins exist in families beyond xanthorhodopsins and proteorhodopsins and are present in both marine bacteria and archaea.