Jakich wyborów dokonują chloroplasty w komórkach roślinnych w celu optymalizacji procesu fotosyntezy oraz obrony przed śmiercią spowodowaną zbyt intensywnym światłem? Naukowcy z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Uniwersytetu Jagiellońskiego i Instytutu Agrofizyki PAN postanowili „wczuć się w chloroplasty” i znaleźć odpowiedź na tak postawione pytanie.
Życie na Ziemi zasilane jest niemal wyłącznie docierającą do nas energią promieniowania słonecznego, a fotosynteza zamienia energię niesioną przez światło na formy, które mogą być bezpośrednio wykorzystywane przez żywe organizmy. Proces ten od zawsze rozpalał naukowe umysły. Najpierw wzięli go na warsztat botanicy, próbując poznać mechanizmy odpowiedzialne za wiązanie energii promieniowania słonecznego przez organizmy żywe. Odkryli w komórkach roślin chloroplasty, zawierające chlorofil – zielony barwnik, który pochłania światło słoneczne. Swoją cegiełkę dorzucili biochemicy, sięgając jeszcze głębiej do tego wymyślnie skonstruowanego układu. Okazało się, że chloroplasty mają też podstrukturę w postaci membran lipidowych, w których zlokalizowane są
kompleksy białkowe, będące de facto gospodarzami barwników fotosyntetycznych. To właśnie te kompleksy odpowiadają za pochłanianie promieniowania słonecznego oraz za reakcje fotochemiczne związane z wybiciem elektronów.
Wiadomo więc już, że gdy światło słoneczne pada na liść jest pochłaniane przez chloroplasty, uruchamiając w nich kaskadę procesów w kompleksach barwnikowo-białkowych. Tyle że rośliny, tak jak i pozostałe żywe organizmy, nie potrafią bezpośrednio wykorzystywać energii promieniowania słonecznego – musi istnieć jakaś swoista przekładnia, coś co tę energię zamieni na formy, które będą mogły być bezpośrednio użyte do procesów życiowych. Rozwikłanie tej zagadki stanowi nie lada wyzwanie dla fizyków badających zjawisko transferu energii wzbudzenia elektronowego oraz inne procesy na poziomie molekularnym. Jednak jest jeszcze coś, co spędza sen z powiek naukowcom: w jaki sposób rośliny radzą sobie wtedy, gdy – jak w upalne dni – słońca jest w nadmiarze.
Roślina nie ma ani parasola, ani czapki, do tego przywiązana jest systemem korzeniowym do jednego
miejsca, a mimo to potrafi i o świcie, kiedy słońce jeszcze nie operuje w pełni, i w południe, gdy natężenie jest już o wiele większe, doskonale sama sterować fotosyntezą tak, aby nie przyjmować kwantów światła powyżej swoich potrzeb – tłumaczy prof. Wiesław Gruszecki, kierownik Zakładu Biofizyki w Instytucie Fizyki UMCS, który wraz z zespołem bada mechanizmy molekularne leżące u podstaw procesów przystosowania fotosyntezy w roślinach do intensywności pochłanianego światła.
Szacuje się, że do 2046 roku liczba ludzi zamieszkujących naszą planetę wzrośnie do 9 miliardów, co stanowi ogromne wyzwanie w obszarze poszukiwania źródeł wyżywienia dla tak dynamicznie rosnącej populacji. Wyzwanie to podejmowane jest w wielu centrach naukowych na świecie, ogniskujących swoją aktywność badawczą na poznaniu szczegółowych mechanizmów procesu fotosyntezy. Wydajność wiązania energii świetlnej zamienianej na biomasę nie przekracza bowiem kilku procent, a każde zwiększenie tej wartości przekłada się na sukces w produkcji żywności. Jednym z kierunków aktywności naukowej jest wykorzystanie inżynierii genetycznej w celu uzyskania gatunków roślin maksymalnie wykorzystujących w procesie fotosyntezy pochłoniętą energię słoneczną, przy minimalnym jej rozpraszaniu do środowiska. Sęk w tym, że rozpraszanie termiczne energii stanowi jeden z ważnych mechanizmów regulacyjnych chroniących chloroplasty w liściach przed nadmiernym oświetleniem, prowadzącym do foto-degradacji, która może być porównana do pożaru.
Na szczęście rośliny wypracowały na drodze ewolucji biologicznej alternatywne procesy regulacyjne, w tym ruchy chloroplastów w komórkach, które określić można jako ukierunkowane na poszukiwanie światła bądź ucieczkę przed jego nadmiarem. Rodzi się jednak dylemat: „Gasić pożar czy uciekać?”, czyli jakich wyborów dokonują chloroplasty w komórkach roślinnych w celu optymalizacji procesu fotosyntezy oraz obrony przed śmiercią spowodowaną zbyt intensywnym światłem?
Naukowcy z Katedry Biofizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, pracujący pod kierunkiem prof. Wiesława I. Gruszeckiego, w ramach realizacji projektu badawczego MAESTRO finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, postanowili „wczuć się w chloroplasty” i znaleźć odpowiedź na tak postawione pytanie. Badania prowadzone były we współpracy z partnerami z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Instytutu Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk w Lublinie. Wobec licznych kontrowersji oraz sprzecznych doniesień w literaturze światowej dotyczących tego problemu, postanowili analizować aktywność obu tych mechanizmów jednocześnie.
Okazało się to możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanej techniki obrazowania mikroskopowego opierającego się na analizach czasów życia fluorescencji (fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM). Po zaabsorbowaniu światła cząsteczki chlorofilu w chloroplastach przetrzymują uzyskaną w ten sposób energię przez czas rzędu wielkości miliardowych części sekundy, po czym emitują znaczną jej część w postaci fluorescencji. Okazuje się, że czasy te są znacząco krótsze, jeśli chloroplasty w ramach obrony przed foto-destrukcją wyrzucają uzyskaną energię do środowiska w formie ciepła. Technika FLIM umożliwia więc jednoczesną analizę mikroskopową poruszania się chloroplastów w komórkach (śledzenie ich ucieczki), jak i czasów życia fluorescencji będących miarą aktywności mechanizmu protekcyjnego gaszenia wzbudzeń nadmiarowych.
Uzyskane wyniki pokazały, że dylemat chloroplastów „gasić czy uciekać?” rozwiązywany jest przez komórki roślinne w każdej chwili, na podstawie aktualnej, wewnątrz-chloroplastowej analizy intensywności światła. Odpowiedź uzależniona jest właśnie od intensywności światła, ale w znacznym jej zakresie opiera się na jednoczesnym wykorzystywaniu obydwu tych mechanizmów regulacyjnych: zmiany położenia chloroplastów w komórce oraz protekcyjne gaszenie energii wzbudzeń chlorofilu.
O tym, jak to działa w praktyce, można przekonać się na polu pełnym słoneczników. Ich liście, nawet jeśli jeszcze nie rozwinęły się kwiaty, w ciągu dnia obracają się, wodząc za kierunkiem promieniowania słonecznego, aby zwiększyć powierzchnię, na którą pada strumień kwantów światła. Osiągają tym samym maksymalną wydajność procesu fotosyntezy. Gdy „moce przerobowe” przetwarzania energii słonecznej są już nasycone, wówczas liście się składają. To zjawisko nie jest niczym nowym – obserwowano je już w czasach Darwina. Zasługą kolejnych pokoleń było znalezienie analogicznych mechanizmów dostosowawczych na niższych poziomach organizacji roślin: komórkowym oraz subkomórkowym. Wyniki najnowszych badań wskazują, że o tego typu regulacji mówić można nawet w przypadku pojedynczych kompleksów barwnikowo-białkowych zbierających światło: LHCII (Light Harvesting Complex II). Te białka łączą w sobie ponad połowę cząsteczek chlorofilu w naszej biosferze. Śmiało można rzec, że dzięki nim właśnie podtrzymywane jest życie na Ziemi.
Białka te zostały zoptymalizowane na przestrzeni miliardów lat ewolucji biologicznej, aby nie marnować energii promieniowania słonecznego i pochłaniać jak najwięcej światła. Skąd jednak „wiedzą”, kiedy tego światła jest już wystarczająca ilość, jak działa ich wewnętrzny system pomiaru oraz czy na ewentualny nadmiar reagują? Badacze z UMCS, UJ i IA PAN dowodzą, że ta sama struktura może uczestniczyć w dwóch przeciwstawnych procesach: pochłanianiu oraz rozpraszaniu energii, a mechanizmem przełączającym kierunek aktywności może być reorganizacja struktur wyższego rzędu, tworzenie specyficznej „mozaiki” kompleksów białkowych.
Wyniki badań ukazały się w artykule opublikowanym w ostatnim numerze renomowanego czasopisma specjalistycznego The Plant Journal. Publikacja pracy wyróżniona została dedykowanym artykułem wstępnym edytora oraz okładką czasopisma.
MK, źródło: UMCS