Открыт путь к коричневой окраске диатомовых водорослей

Диатомовые водоросли — это микроскопические одноклеточные водоросли, обитающие в природных водах по всему миру. В процессе фотосинтеза они поглощают большие количества углекислого газа, основного парникового газа, выделяемого в результате деятельности человека, и превращают его в биомассу. Каротиноид фукоксантин позволяет диатомеям эффективно улавливать сине-зелёную часть солнечного света для фотосинтеза.

В сотрудничестве с международной исследовательской группой учёные из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии обнаружили, как водоросли производят этот важный и широко используемый пигмент. Их работа недавно была опубликована в научной статье в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Новое понимание синтеза фукоксантина

Диатомеи, процветающие как в морской, так и в пресноводной среде по всему миру, являются наиболее богатым видами группой водорослей и, по оценкам, ответственны за до одной пятой глобальной фиксации углекислого газа в процессе фотосинтеза. В отличие от фотосинтетически активных зелёных листьев наземных растений, диатомеи имеют коричневую окраску. Их характерный цвет обусловлен светособирающим каротиноидом фукоксантином, который позволяет эффективно поглощать и использовать для фотосинтеза сине-зелёный свет, преобладающий во многих водных местообитаниях. Фукоксантин является одним из самых распространённых каротиноидов на Земле и основным драйвером морского фотосинтеза.

За последнее десятилетие фукоксантин также стал предметом растущего интереса для нутрицевтических и фармацевтических применений. Впервые упомянутый в научной литературе 150 лет назад как основной пигмент бурых водорослей, химическая структура фукоксантина была установлена в 1960-х годах. Однако до сих пор не было известно, как водоросли синтезируют этот важный природный продукт.

Исследовательские группы доктора Мартина Лора из JGU, профессора Грэма Пирса из Университета штата Колорадо (США) и профессора Сяобо Ли из Университета Уэстлейк (Китай) раскрыли биосинтетический путь фукоксантина у диатомовых водорослей, о чём сообщается в совместной статье, опубликованной в PNAS.

Используя генетические ножницы CRISPR/Cas9, исследователи нарушили работу генов у диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum, которые кодируют белки, имеющие высокое сходство с ферментами, участвующими в биосинтезе каротиноидов у наземных растений. Нокаут двух из этих ферментов-кандидатов привёл к появлению зелёных мутантов, лишённых фукоксантина, но накопивших вместо него другие каротиноиды и имевших сильно сниженную фотосинтетическую эффективность. Детальная биохимическая характеристика новых каротиноидов и ферментов, выключенных у мутантов, позволила исследователям предложить полный путь синтеза фукоксантина у диатомей.

Синтез через сложный путь с ранее неизвестными промежуточными продуктами

Путь оказался существенно более сложным, чем предполагалось, и включает три новых промежуточных каротиноида. На основе биоинформатического анализа вновь открытых ферментов и их распространения среди водорослей исследователи также смогли показать, что путь синтеза фукоксантина эволюционировал путём дупликации древних генов ферментов, катализирующих образование фотозащитных каротиноидов.

Как объясняют авторы, каротиноиды у фотосинтезирующих организмов изначально служили защитой от избытка света. Их последняя работа показывает, что диатомеи неоднократно дублировали компоненты ферментативного инструментария, создающего эти фотозащитные пигменты. Некоторые копии приобрели новые функции, что позволило синтезировать более сложные каротиноиды, оказавшиеся особенно хорошо подходящими для светособирания в фотосинтезе. Примечательно, что эволюционно более молодые бурые водоросли лишены этих дополнительных ферментов и новых промежуточных каротиноидов. Вместо этого они, по-видимому, используют модифицированный путь, который эволюционировал путём укорочения пути у диатомей.

Перенос полного биосинтетического пути фукоксантина в другие организмы пока невозможен. «Мы идентифицировали все промежуточные продукты пути, но некоторые из участвующих ферментов всё ещё неизвестны», — сказал доктор Мартин Лор из Института молекулярной физиологии (IMP) JGU. Авторы, однако, ожидают, что их находки будут способствовать идентификации пока отсутствующих ферментов. Более того, зелёные мутанты диатомей предоставят беспрецедентные исследовательские возможности для более глубокого понимания биогенеза и регуляции фотосинтетического аппарата в этой важной группе водорослей, имеющей особое экологическое значение.