p Dois novos estudos de algas verdes - o flagelo dos proprietários de piscinas e lagoas de água doce - revelaram novos insights sobre como esses organismos sugam dióxido de carbono do ar para uso na fotossíntese, um fator chave em sua capacidade de crescer tão rapidamente. A compreensão desse processo pode, algum dia, ajudar os pesquisadores a melhorar a taxa de crescimento de safras como trigo e arroz. p Nos estudos publicados esta semana na revista Célula , a equipe liderada por Princeton relatou o primeiro inventário detalhado da maquinaria celular - localizada em uma organela conhecida como pirenóide - que as algas usam para coletar e concentrar dióxido de carbono. Os pesquisadores também descobriram que o pirenóide, há muito considerada uma estrutura sólida, na verdade, se comporta como uma gota líquida que pode se dissolver no meio celular circundante quando as células das algas se dividem.

p "Compreender como as algas podem concentrar o dióxido de carbono é um passo fundamental em direção ao objetivo de melhorar a fotossíntese em outras plantas, "disse Martin Jonikas, professor assistente de biologia molecular em Princeton e líder dos estudos, que incluiu colaboradores do Instituto Max Planck de Bioquímica na Alemanha e do Carnegie Institution for Science no campus da Universidade de Stanford. “Se pudéssemos projetar outras safras para concentrar carbono, poderíamos atender à crescente demanda mundial por alimentos, "Jonikas disse.

p Algas aquáticas e um punhado de outras plantas desenvolveram mecanismos de concentração de carbono que aumentam a taxa de fotossíntese, o processo pelo qual as plantas transformam o dióxido de carbono e a luz do sol em açúcares para o crescimento. Todas as plantas usam uma enzima chamada Rubisco para "fixar" o dióxido de carbono em açúcar que pode ser usado ou armazenado pela planta.

p As algas têm uma vantagem sobre muitas plantas terrestres porque agrupam as enzimas Rubisco dentro do pirenóide, onde as enzimas encontram altas concentrações de dióxido de carbono bombeado do ar. Ter mais dióxido de carbono ao redor permite que as enzimas Rubisco funcionem mais rápido.

p No primeiro dos dois estudos relatados esta semana, os pesquisadores realizaram uma busca abrangente por proteínas envolvidas no mecanismo de concentração de carbono de uma espécie de alga conhecida como Chlamydomonas reinhardtii. Usando técnicas que os pesquisadores desenvolveram para rotular e avaliar rapidamente as proteínas das algas, os pesquisadores identificaram as localizações e funções de cada proteína, detalhando as interações físicas entre as proteínas para criar um "interactome" pirenóide.

p A pesquisa revelou 89 novas proteínas pirenóides, incluindo aqueles que os pesquisadores acham que introduzem carbono no pirenóide e outros que são necessários para a formação do pirenóide. Eles também identificaram três camadas até então desconhecidas do pirenóide que circundam a organela como as camadas de uma cebola. "As informações representam a melhor avaliação de como esta máquina essencial de concentração de carbono está organizada e sugere novos caminhos para explorar como ela funciona, "disse Luke Mackinder, o primeiro autor do estudo e ex-pesquisador de pós-doutorado na Carnegie Institution, que agora lidera uma equipe de pesquisadores na Universidade de York, REINO UNIDO.

p No segundo estudo, os pesquisadores relatam que o pirenóide, há muito considerada uma estrutura sólida, é realmente semelhante a um líquido. As técnicas usadas em estudos anteriores exigiam que os pesquisadores matassem e preservassem quimicamente as algas antes de imaginá-las. Neste novo estudo, os pesquisadores fotografaram as algas enquanto os organismos viviam, usando uma proteína fluorescente amarela para marcar Rubisco.

p Ao observar as algas, Elizabeth Freeman Rosenzweig, em seguida, um estudante de graduação da Carnegie Institution, e Mackinder usou um laser de alta potência para destruir o rótulo fluorescente do Rubisco na metade do pirenóide, enquanto deixa o rótulo na outra metade do pirenóide intacto. Em minutos, a fluorescência redistribuída para todo o pirenóide, mostrando que as enzimas se moviam facilmente como se estivessem em um líquido.

p Benjamin Engel, pesquisador de pós-doutorado e líder de projeto no Instituto Max Planck de Bioquímica, explorou ainda mais esse achado usando outra técnica de imagem chamada tomografia crioeletrônica. Ele congelou e preparou células inteiras de algas e, em seguida, fotografou-as com um microscópio eletrônico, que é tão sensível que pode resolver as estruturas de moléculas individuais.

p A técnica permitiu a Engel visualizar o pirenóide em três dimensões e com resolução nanométrica. Ao comparar essas imagens com as de sistemas líquidos, os pesquisadores confirmaram que o pirenóide estava organizado como um líquido. "Este é um dos raros exemplos em que a genética clássica, biologia celular e abordagens de imagem de alta resolução foram reunidas em uma única investigação, "Disse Engel.

p O estudo permitiu à equipe perguntar como um pirenóide é passado para a próxima geração quando as algas unicelulares se dividem em duas células-filhas. Freeman Rosenzweig observou que o pirenóide às vezes falha em se dividir, deixando uma das células-filhas sem pirenóide.

p Usando as proteínas fluorescentes, a equipe observou que a célula que não conseguiu receber metade do pirenóide na verdade ainda poderia se formar espontaneamente. Eles descobriram que cada célula filha recebe uma certa quantidade do pirenóide em sua forma dissolvida e que esses componentes quase indetectáveis ​​podem se condensar em um pirenóide completo.

p "Achamos que a dissolução dos pirenóides antes da divisão celular e a condensação após a divisão podem ser um mecanismo redundante para garantir que ambas as células filhas obtenham pirenóides, "Jonikas disse." Assim, ambas as células filhas terão esta organela chave que é crítica para assimilar carbono. "

p Para explorar mais a fundo como isso pode acontecer, Jonikas colaborou com Ned Wingreen, Howard A. Professor anterior de Princeton em Ciências da Vida e Biologia Molecular. Wingreen e sua equipe criaram uma simulação de computador das interações entre Rubisco e outra proteína chamada EPYC1 - descoberta por Mackinder e outros na equipe de Jonikas como crucial para o pirenóide - que age como cola para colar vários Rubiscos.

p A simulação de computador sugeriu que o estado do pirenóide - seja uma gota de líquido condensado ou dissolvido no compartimento circundante - dependia do número de sítios de ligação em EPYC1. Na simulação, Rubisco tem oito locais de ligação, ou oito lugares onde EPYC1 pode ser acoplado a um Rubisco. Se EPYC1 tiver quatro sítios de ligação, em seguida, dois EPYC1s preenchem exatamente todos os locais de encaixe em um Rubisco, e vice versa. Como esses complexos Rubisco-EPYC1 totalmente ligados são pequenos, eles formam um estado dissolvido. Mas se EPYC1 tem três ou cinco sítios de ligação, não pode preencher todos os sites da Rubisco, e existem sites abertos no Rubiscos para ligação por EPYC1s adicionais, que também têm sites gratuitos que podem atrair outros Rubiscos. O resultado é um amontoado de Rubiscos e EPYC1s que formam uma gota semelhante a um líquido.

p A mudança na fase do sistema dependendo da proporção de sítios de ligação EPYC1 para Rubisco pode ser considerada um efeito de "número mágico", um termo normalmente usado em física para descrever condições em que um número específico de partículas forma um estado invulgarmente estável. "Esses números mágicos, além de ser relevante para sistemas pirenóides, pode ter alguma moeda no campo da física de polímeros e, potencialmente, na biologia sintética, "Wingreen disse.

p Wingreen e Jonikas estão continuando sua colaboração e esperam desenvolver o projeto tanto teoricamente - explorando diferentes flexibilidades e configurações de Rubisco e EPYC1 - e experimentalmente, combinando as duas proteínas em um tubo de ensaio e manipulando o número de locais de ligação.

p "O pensamento anterior era que quanto mais sites de ligação eles têm, quanto mais as proteínas tendem a se agrupar, "Jonikas disse." A descoberta de que existe um efeito de número mágico é importante não apenas para as pirenóides, mas talvez para muitas outras organelas semelhantes a líquido encontradas em toda a natureza. "

p Com estudos adicionais, essas descobertas podem fornecer informações importantes sobre como garantir a disponibilidade de safras de rápido crescimento para uma população mundial em expansão.