Màng quang hợp ở vi khuẩn lam ở góc nhìn mới

Màng quang hợp ở vi khuẩn lam ở góc nhìn mới

Một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Liverpool thực hiện đã cho thấy cách các sinh vật quang hợp cổ đại – vi khuẩn lam – phát triển bộ máy quang hợp, tổ chức cấu trúc màng quang hợp của chúng để thu nhận ánh sáng mặt trời, truyền năng lượng một cách hiệu quả.

Vi khuẩn lam là gì?

Vi khuẩn lam có tên khoa học là Cyanobacteria. Chúng sống thủy sinh và có khả năng tự quang hợp. Có nghĩa là chúng sống trong nước, có thể tự sản xuất thức ăn. Loài vi khuẩn này được tìm thấy trên khắp thế giới. Chúng phát triển trong bất kỳ trong môi trường nước nào. Nước ngọt, nước lợ biển đều là nơi có thể phát triển.

Vi khuẩn lam rất nhỏ, khó nhìn thấy. Nhưng đặc tính sinh sôi nhanh, sống theo từng cụm. Trong môi trường ấm áp, giàu chất dinh dưỡng, chúng phát triển nhanh chóng.

Vi khuẩn lam, tự dưỡng đóng vai trò là chất cố định quan trọng của nito trong chuỗi thức ăn. Chúng tham gia vào quá trình tạo oxy cho khí quyển, đồng thời làm thức ăn cho cá. Chúng sản xuất oxi bằng cách phân tách nước trong quá trình quang hợp – cơ chế cũng có ở tảo và thực vật ngày nay.

Vi khuẩn lam là một trong những sinh vật quang dưỡng sớm nhất có thể thực hiện quá trình quang hợp tạo oxy và đóng góp đáng kể vào bầu khí quyển và sản xuất sơ cấp (sản lượng các chất hữu cơ từ các nguồn carbon vô cơ) của Trái đất. Quá trình quang hợp oxy do thực vật, tảo và vi khuẩn lam thực hiện, tạo ra năng lượng, oxy cho sự sống trên Trái đất, được cho là quá trình sinh học quan trọng nhất.

Các phản ứng quang hợp phụ thuộc vào ánh sáng do một tập hợp các phức hợp quang hợp, các phân tử nằm trong màng tế bào chuyên biệt, được gọi là màng thylakoid thực hiện. Trong khi một số nghiên cứu đã báo cáo về cấu trúc của các phức hợp quang hợp, cách chúng thực hiện quá trình quang hợp, các nhà nghiên cứu vẫn chưa hiểu rõ về cách xây dựng, phát triển thêm các màng thylakoid tự nhiên để trở thành một thực thể chức năng trong tế bào vi khuẩn lam.

Nhóm nghiên cứu, do Giáo sư Luning Liu từ Viện Hệ thống, Sinh học Phân tử và Tích hợp của trường Đại học Liverpool dẫn dắt, đã phát triển một phương pháp để kiểm soát sự hình thành màng thylakoid trong quá trình phát triển của tế bào và sử dụng nghiên cứu quy mô lớn về protein (proteomics) hiện đại và hình ảnh hiển vi để mô tả đặc điểm của quá trình trưởng thành từng bước của màng thylakoid.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Liu nói: “Chúng tôi thực sự vui mừng về những phát hiện này. Nghiên cứu của chúng tôi vẽ ra một bức tranh về cách sinh vật quang dưỡng tạo ra, sau đó phát triển màng quang hợp của chúng, cách kết hợp và định vị các thành phần quang hợp khác nhau trong màng thylakoid để thực hiện quang hợp hiệu quả – vấn đề vốn thắc mắc từ lâu trong lĩnh vực này”.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Tiến sĩ Tuomas Huokko, cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng tổng hợp các màng thylakoid mới xuất hiện giữa màng tế bào ngoại vi, được gọi là màng sinh chất và lớp thylakoid tồn tại trước đó. Bằng cách phát hiện các thành phần protein và các hoạt động quang hợp trong quá trình phát triển thylakoid, chúng tôi cũng thấy rằng, kiểm soát các protein quang hợp tốt trong không gian, thời gian để tiến hóa và lắp ráp vào màng thylakoid”.

Nghiên cứu mới cho thấy màng thylakoid của vi khuẩn lam là một hệ thống sinh học thực sự năng động và có thể thích ứng nhanh chóng với những thay đổi của môi trường trong quá trình phát triển của vi khuẩn. Trong thylakoids, các protein quang hợp có thể khuếch tán từ vị trí này sang vị trí khác và hình thành các “đảo protein” chức năng để hoạt động cùng nhau mang lại hiệu quả quang hợp cao.

Liu cho biết thêm: “Vì vi khuẩn lam thực hiện quá trình quang hợp giống như thực vật, nên có thể mở rộng kiến ​​thức thu được từ màng thylakoid của vi khuẩn lam cho các thylakoid của thực vật. Việc hiểu biết cơ chế phát triển và điều chỉnh quang hợp tự nhiên ra sao ở các sinh vật quang dưỡng là vô cùng cần thiết nhằm điều chỉnh, tăng cường hiệu suất quang hợp, dẫn đến các giải pháp để cải thiện bền vững khả năng quang hợp và sản lượng của cây trồng, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và dân số ngày càng tăng. Thiết kế lấy cảm hứng sinh học, tạo ra các thiết bị quang hợp nhân tạo để truyền điện tử hiệu quả và sản xuất năng lượng sinh học”.

Yhocvn.net (Theo Lab Manager- Hoa Kỳ)