Vědců, kteří se systematicky věnují biosyntéze chlorofylu a fotosyntetických bílkovinných komplexů, není po světe mnoho. Patří k nim ale Ing. Roman Sobotka, Ph.D., z Mikrobiologického ústavu Akademie věd ČR. Na jeden z jeho posledních projektů „Regulace distribuce molekul chlorofylu v buňkách sinic“ poskytla finanční prostředky Grantová agentura České republiky.

Chlorofyl patří mezi tetrapyroly, což je skupina barevných látek – pigmentů, kam náleží i hem, který v naší krvi přenáší kyslík a barví ji do červena. Chlorofyl je sice zelený, ale chemicky se od hemu zas tolik neliší. Jinou skupinou tetrapyrolů jsou biliny jako je bilirubin, který je žlutý a jeho patologické hromadění v těle je projevem žloutenky. Z hlediska evoluce je metabolická dráha, využívaná v buňkách k produkci tetrapyrolů, velmi starým vynálezem, musela se objevit na samém úsvitu života. Hem potřebuje celá řada základních enzymů v buňkách a chlorofyl se objevil v evoluci asi jen o něco málo později spolu s fotosyntézou. Proto jsou tetrapyroly nazývány „pigmenty života“. „Fotosyntéza nám ale postupně napumpovala atmosféru kyslíkem, a vznikl tím problém s biosyntézou tetrapyrolů, který první organismy na Zemi řešit nemusely. Pokud na tetrapyrol jako je chlorofyl posvítíte, absorbuje foton a přeskočí do stavu, kterému se říká excitovaný. Tento stav netrvá dlouho a foton se zase vyzáří. Nicméně pokud se poblíž excitovaného chlorofylu objeví molekula kyslíku, dokáže chlorofylu odebrat část absorbované energie a změnit se na formu zvanou kyslíkový radikál,“ popisuje Ing. Roman Sobotka.

Fascinující robustnost sinic

V laboratoři Mikrobiologického ústavu se tým Romana Sobotky snaží objasnit, jak dokáží fotosyntetické organismy produkovat chlorofyl, zabudovat ho do příslušných bílkovin a přitom se vyvarovat poškození radikály kyslíku. Vědci pracují na jednom typu modelové sinice, která se jmenuje Synechocystis. Ačkoli je sinice de facto bakterie, která dokáže provádět fotosyntézu, výsledky získané na sinicích jsou většinou dobře aplikovatelné i u rostlin a řas. Jako laboratorní model mají ale sinice řadu výhod oproti rostlinám i řasám. U sinic je velmi snadné vypínat a modifikovat geny, genom je jednoduchý, rostou rychle a mají i jiné přednosti.

„Práce na sinicích je docela zábava, vypnout gen trvá pouze několik týdnů. Co mě dlouhodobě překvapuje je robustnost sinic. Celý buněčný aparát na fotosyntézu je velmi složitý a vyžaduje souhru stovek genů. U rostlin je běžné, že vyřazení určitého genu celou fotosyntézu úplně rozbije. Naše modelová sinice většinou nemá s tou samou mutací velký problém. Anebo nám ho kompenzuje tím, že rychle mutuje úplně jiný gen (má 3500 genů), a ty dva poškozené geny dohromady dají zase funkční fotosyntézu. V rámci projektu jsme zjistili, že zdánlivě zcela odlišné mutace, které naruší biosyntézu fotosyntetického aparátu, buňka vždy opraví mutacemi v enzymu, který produkuje hem. Ukazuje to zcela zásadní regulační roli hemu, tedy opět jsme u tetrapyrolů. Snažíme se zjistit, proč se to děje,“ vysvětluje Roman Sobotka.

Každá buňka je takový kotel, který musí neustále trochu hořet, pokud vyhasne, je konec. Život je neskutečně vynalézavý, co se týká dovednosti spálit i velmi mizerné palivo, ale zákony termodynamiky diktují, co už spálit nelze. Bez fotosyntézy by život spálil vše, co lze na Zemi oxidovat, a pak už by pouze živořil, nebo úplně zaniknul. Je nutné si uvědomit, že žádná jiná evoluční inovace, včetně samotného vzniku života, nepřetvořila planetu tak dramaticky jako právě fotosyntéza.

Fotosyntetické komplexy na montážní lince

Fotosystémy jsou velmi složité bílkovinné komplexy, které odpovídají za zásadní reakce fotosyntézy a obsahují mnoho molekul chlorofylu. Jak buňka tyto komplexy produkuje je předmětem intenzivního výzkumu. Podobně, jako když se skládá motor do auta z jednotlivých dílů v určitém pořadí, buňka vyrobí jednotlivé části a vše skládá v přesně definovaných krocích. Na této montáži fotosystémů se podílí řada bílkovin zvaných „assembly“ faktory, ale co konkrétně dělají, se dosud nevědělo. Týmu Romana Sobotky se podařilo prokázat, že minimálně dva faktory se podílí na navázání molekul chlorofylu do bílkovinných podjednotek fotosystému. „To bylo docela nečekané, protože jejich funkce nakonec není ve skládání (assembly), ale v produkci vlastní ‚součástky‘, která obsahuje chlorofyl,“ říká Roman Sobotka.

Ocenění GA ČR i prestižními magazíny
„Řešení projektu přineslo nové poznatky týkající se velmi těsné regulace distribuce chlorofylu a syntézy a sestavování fotosystémů I a II u sinice Synechocystis, procesu klíčového z důvodu toxicity volného chlorofylu. Podařilo se také poodhalit organizaci biosyntetických center v buňce, kde probíhá biogeneze fotosystémů. Výstupem řešení projektu je šest publikací v prestižních časopisech. Projekt má tedy mimořádný přínos nejen pro studium fotosyntézy rostlin, ale také pro buněčnou biologii rostlin obecně,“ ocenila vědeckou práci ve svém hodnocení komise GA ČR.

 

Ing. Roman Sobotka, Ph.D., vystudoval obor genové inženýrství na Zemědělské fakultě Jihočeské univerzity. Vede vlastní vědeckou skupinu v  Mikrobiologického ústavu Akademie věd České republiky v Centru Algatech (Třeboň). Zaměřuje se na biosyntézu a funkci fotosyntetických pigmentů a přednáší na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity.

Zdroj: GA ČR