นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน (MSU), UC Berkeley, University of Southern Bohemia และ Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ได้ช่วยเปิดเผยภาพที่ละเอียดที่สุดจนถึงปัจจุบันของ “เสาอากาศ” ทางชีววิทยาที่สำคัญ
ธรรมชาติได้พัฒนาโครงสร้างเหล่านี้เพื่อควบคุมพลังงานของดวงอาทิตย์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่ตัวรับแสงแดดเหล่านี้ไม่ได้เป็นของพืช พวกมันถูกพบในจุลชีพที่เรียกว่าไซยาโนแบคทีเรีย ซึ่งเป็นลูกหลานของวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกๆ บนโลกที่สามารถรับแสงแดด น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ได้ และเปลี่ยนเป็นน้ำตาลและออกซิเจน
ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในสัปดาห์นี้การค้นพบนี้ทำให้เกิดแสงสว่างใหม่ในการสังเคราะห์แสงของจุลินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการดักจับและส่งพลังงานแสงไปยังตำแหน่งที่จำเป็นในการแปลง CO 2 เป็นน้ำตาล ในอนาคต ข้อมูลเชิงลึกยังสามารถช่วยให้นักวิจัยแก้ไขการบานของสาหร่ายที่เป็นอันตราย พัฒนาระบบสังเคราะห์แสงประดิษฐ์สำหรับพลังงานหมุนเวียน และเกณฑ์จุลินทรีย์ในการผลิตอย่างยั่งยืนที่เริ่มต้นด้วยวัตถุดิบของ CO 2 และแสงแดด
Cheryl Kerfeldสมาชิกของ MSU-DOE Plant Research Laboratoryกล่าวว่า “มีความสนใจเป็นอย่างมากในการใช้ไซยาโนแบคทีเรียเป็นโรงงานที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งจับแสงแดดและแปลงเป็นพลังงานชนิดหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ทำผลิตภัณฑ์ที่สำคัญ ได้ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ “ด้วยพิมพ์เขียวอย่างที่เราให้ไว้ในการศึกษานี้ คุณสามารถเริ่มคิดเกี่ยวกับการปรับแต่งและเพิ่มประสิทธิภาพองค์ประกอบการเก็บเกี่ยวแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงได้”
“เมื่อคุณเห็นว่าบางสิ่งทำงานอย่างไร คุณมีความคิดที่ดีขึ้นว่าคุณจะแก้ไขและจัดการมันได้อย่างไร นั่นเป็นข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่” Markus Sutter ผู้ร่วมวิจัยอาวุโสใน Kerfeld Labซึ่งดำเนินงานที่ MSU และ Berkeley Labกล่าว
โครงสร้างสายอากาศไซยาโนแบคทีเรียที่เรียกว่าไฟโคบิลิโซมเป็นคอลเลกชั่นของเม็ดสีและโปรตีนที่ซับซ้อน ซึ่งประกอบเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิจัยได้ทำงานเพื่อสร้างภาพหน่วยการสร้างต่างๆ ของไฟโคบิลิโซมเพื่อทำความเข้าใจว่าพวกมันถูกประกอบเข้าด้วยกันอย่างไร Phycobilisomes มีความเปราะบางซึ่งจำเป็นต้องใช้วิธีการทีละน้อยนี้ ในอดีต นักวิจัยไม่สามารถได้ภาพความละเอียดสูงของเสาอากาศที่ไม่บุบสลายซึ่งจำเป็นต่อการทำความเข้าใจว่าพวกมันจับและนำพลังงานแสงได้อย่างไร
ต้องขอบคุณทีมผู้เชี่ยวชาญระดับนานาชาติและความก้าวหน้าในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่เยือกแข็ง (cryo-EM) โครงสร้างของเสาอากาศสำหรับเก็บแสงด้วยไซยาโนแบคทีเรียมีความละเอียดเกือบเท่ากับอะตอม
“เราโชคดีที่ได้เป็นทีมที่ประกอบด้วยคนที่มีความเชี่ยวชาญเสริม คนที่ทำงานร่วมกันได้ดี” Kerfeld ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพเชิงโครงสร้างที่ MSU กล่าว “กลุ่มมีคุณสมบัติทางเคมีที่เหมาะสม”
‘การเดินทางที่ยาวนาน เต็มไปด้วยความประหลาดใจ’
Paul Sauer นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตใน ห้องปฏิบัติการ cryo-EM ของศาสตราจารย์ Eva Nogales ของ UC Berkeley กล่าวว่า “งานนี้เป็นความก้าวหน้าในด้านของการสังเคราะห์ด้วยแสง Nogales ยังเป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของคณะวิทยาศาสตร์ชีวภาพของ Berkeley Lab
“โครงสร้างการเก็บเกี่ยวแสงที่สมบูรณ์ของเสาอากาศของไซยาโนแบคทีเรียได้หายไปจนถึงปัจจุบัน” ซาวเออร์กล่าว “การค้นพบของเราช่วยให้เราเข้าใจว่าวิวัฒนาการเกิดขึ้นได้อย่างไรในการเปลี่ยน CO 2 และแสงให้เป็นออกซิเจนและน้ำตาลในแบคทีเรีย ก่อนที่พืชใดๆ จะอยู่บนโลกของเรา”
นอกจาก Kerfeld แล้ว Sauer ยังเป็น ผู้เขียน บทความใหม่ที่เกี่ยวข้อง ทีมงานได้บันทึกการค้นพบใหม่หลายอย่าง ซึ่งรวมถึงการค้นหาโปรตีนไฟโคบิลิโซมชนิดใหม่ และการสังเกตสองวิธีใหม่ที่ไฟโคบิลิโซมกำหนดทิศทางของแท่งดักแสงที่ไม่เคยได้รับการแก้ไขมาก่อน
“มันคือการค้นพบ 12 หน้า” María Agustina Domínguez-Martín of the Nature กล่าว ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกใน Kerfeld Lab Domínguez-Martín ได้ริเริ่มการศึกษาที่ MSU และทำให้สำเร็จที่ Berkeley Lab ปัจจุบันเธออยู่ที่มหาวิทยาลัยคอร์โดบาในสเปนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทุนมิตรภาพหลังปริญญาเอกของมารี สโลว์โดสกา-คูรี “เป็นการเดินทางที่ยาวนาน เต็มไปด้วยเรื่องน่าประหลาดใจ”
ตัวอย่างเช่น สิ่งหนึ่งที่น่าประหลาดใจก็คือ โปรตีนที่มีขนาดค่อนข้างเล็กสามารถทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันไฟกระชากสำหรับเสาอากาศขนาดใหญ่ได้อย่างไร ก่อนงานนี้ นักวิจัยรู้ว่าไฟโคบิลิโซมสามารถจับโมเลกุลที่เรียกว่าโปรตีนแคโรทีนอยด์สีส้มหรือ OCPs เมื่อไฟโคบิลิโซมดูดซับแสงแดดมากเกินไป OCP ปล่อยพลังงานส่วนเกินออกเป็นความร้อน ปกป้องระบบสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรียมจากการไหม้
จนถึงขณะนี้ มีการถกเถียงกันเกี่ยวกับจำนวน OCP ที่ไฟโคบิลิโซมสามารถจับได้และตำแหน่งที่มีผลผูกพันเหล่านั้นอยู่ที่ใด งานวิจัยชิ้นใหม่นี้จะตอบคำถามพื้นฐานเหล่านี้และนำเสนอข้อมูลเชิงลึกที่อาจนำไปใช้ได้จริง
ระบบป้องกันไฟกระชากประเภทนี้ ซึ่งเรียกว่าการป้องกันแสง (photoprotection) และมีความคล้ายคลึงกันในโลกของพืช มีแนวโน้มว่าจะสิ้นเปลืองโดยธรรมชาติ ไซยาโนแบคทีเรียสามารถปิดการป้องกันแสงได้ช้าหลังจากที่มันทำงานเสร็จแล้ว ด้วยภาพที่สมบูรณ์ของวิธีการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก นักวิจัยสามารถออกแบบวิธีการสร้าง “อัจฉริยะ” ที่สิ้นเปลืองน้อยลง ปกป้องแสงน้อยลง Kerfeld กล่าว
และถึงแม้จะช่วยทำให้โลกน่าอยู่สำหรับมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วนที่ต้องการออกซิเจนเพื่อความอยู่รอด ไซยาโนแบคทีเรียก็มีด้านมืด ไซยาโนแบคทีเรียเบ่งบานในทะเลสาบ สระน้ำ และแหล่งกักเก็บสามารถก่อให้เกิดสารพิษที่เป็นอันตรายต่อระบบนิเวศพื้นเมืองตลอดจนมนุษย์และสัตว์เลี้ยงของพวกมัน การมีพิมพ์เขียวว่าแบคทีเรียไม่เพียงรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังป้องกันตัวเองจากแสงแดดมากเกินไป อาจสร้างแรงบันดาลใจให้แนวคิดใหม่ๆ ในการโจมตีดอกไม้ที่เป็นอันตรายได้
นอกเหนือจากคำตอบใหม่และการใช้งานที่เป็นไปได้ในงานนี้ นักวิจัยยังรู้สึกตื่นเต้นกับคำถามใหม่ๆ ที่งานนี้เกิดขึ้นและงานวิจัยที่สามารถสร้างแรงบันดาลใจได้
“ถ้าคุณคิดเหมือนตัวต่อเลโก้ คุณก็สามารถต่อยอดได้ใช่ไหม? โปรตีนและเม็ดสีเป็นเหมือนบล็อกที่สร้างไฟโคบิลิโซม แต่นั่นก็เป็นส่วนหนึ่งของระบบภาพถ่ายซึ่งอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ทั้งหมด” ซัทเทอร์กล่าว “เรากำลังไต่ขึ้นบันไดของมาตราส่วนในทางใดทางหนึ่ง เราพบสิ่งใหม่บนรุ่งของเรา แต่เราไม่สามารถพูดได้ว่าเราได้แก้ไขระบบแล้ว”
“เราได้ตอบคำถามบางข้อแล้ว แต่เราได้เปิดประตูให้กับผู้อื่น และสำหรับฉัน นั่นคือสิ่งที่ทำให้เกิดความก้าวหน้า” Domínguez-Martín กล่าว “ผมตื่นเต้นที่จะได้เห็นการพัฒนาของภาคสนามจากที่นี่”
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์แห่งกระทรวงพลังงานสหรัฐ สถาบันสุขภาพแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์เช็ก และโครงการวิจัยและนวัตกรรม Horizon 2020 ของสหภาพยุโรป
