연구원들은 자연의 가장 중요한 혁신 중 하나 인 광합성의 기원에 대한 최선의 모습을 보여주었습니다. 애리조나 주립 대학교와 펜실베이니아 주립 대학의 연구자들은 원시 박테리아에서 단백질의 원자성, 고해상도 X- 레이 이미지를 섭취함으로써 가장 초기의 광합성 버전이 거의 35 억 년 전의 모습을 추정했습니다. 그들이 옳다면, 그들의 발견은 생명이 햇빛을 화학 에너지로 변환하는 데 사용하는 과정의 진화 역사를 다시 작성할 수 있습니다.
광합성은 지구상의 거의 모든 유기체를 직간접 적으로 또는 간접적으로 유지합니다. 그것은 우리 대기의 구성을 담당하며 지구의 많은 짜여진 생태계의 기초를 형성합니다. 더욱이, 파리의 프랑스 국립 과학 연구 센터 (CNR)의 생물학자인 Wolfgang Nitschke는 광합성이 해방 된 세포가 새롭고 끝없는 비자기적 인 원천으로부터 에너지를 도출함으로써 무한하게 성장하고 진화하도록 지적했다. "광합성이 그림에 들어갔을 때, 삶은 우주와 연결된 삶을 사로 잡았습니다."
과학자들은 그럴 가능성을 알아 내고 싶어합니다. 현재 형태로 광합성에서 광 에너지를 화학 에너지로 변환하는 기계 (반응 센터라고 불리는 단백질 복합체)는 엄청나게 정교합니다. 그러나 증거는 생명 나무의 근원으로 거의 뻗어있는 디자인이 한때 매우 간단하다는 것을 시사합니다. 연구원들은 광합성이 어떻게 진화했는지에 대한 이해에서 그 막대한 격차를 메우기 위해 수십 년 동안 노력해 왔습니다.
이를 위해 그들은 기존 유기체에 관심을 돌렸다. 녹색 식물, 조류 및 일부 박테리아가 광합성에 사용하는 반응의 분자 세부 사항을 연구함으로써, 이들 사이의 진화 관계를 분석함으로써 과학자들은 그 과정에 대한 역사적 역사적 이야기를 함께 모 으려고 노력하고 있습니다.
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최신의 중요한 단서는 heliobacterium modesticaldum 에서 나온 것입니다 , 이것은 가장 간단한 알려진 광합성 박테리아라는 구별을 가지고 있습니다. 연구원들은 반응 센터가 원래 단지에서 가장 가까운 곳이라고 생각합니다. 생물 학자 인 케빈 레딩 (Kevin Redding), 애리조나 주립 대학 (Arizona State University)의 Me의 Raimund 및 Christopher Gisriel이 Penn State의 동료들과 협력하여 Science 7 월 에디션에서 그 단백질 복합체의 결정 학적 구조를 발표했습니다. 전문가들은 광합성의 진화에 대한 의미를 정확하게 풀고 있습니다. Gisriel은“정말 과거의 창입니다
Nitschke는“이것은 우리가 15 년 동안 기다려온 것입니다.
공통 조상을 찾아서
처음에 대부분의 과학자들은 오늘날 광합성 유기체에서 발견 된 모든 반응 센터가 단일 공통 조상을 가질 수 있다고 믿지 않았습니다. 사실, 모든 반응 센터는 빛에서 에너지를 수확하여 세포에 화학적으로 유용한 형태의 화합물에 고정합니다. 이를 위해, 단백질은 마치 일련의 디딤돌을 따라 건너 뛰는 것처럼 막에서 분자의 전달 사슬을 따라 전자를 통과합니다. 각 단계는 궁극적으로 라인을 사용하여 세포의 에너지 캐리어 분자를 만드는 에너지를 방출합니다.
그러나 기능과 구조의 관점에서, 광 시스템 반응 센터는 거의 모든면에서 다른 두 가지 범주로 분류됩니다. Photosystem I는 주로 에너지 캐리어 NADPH를 생산하는 반면, PhotosyStem II는 ATP를 만들고 물 분자를 분할합니다. 그들의 반응 센터는 다른 광 흡수 안료를 사용하고 스펙트럼의 다른 부분을 흡수합니다. 전자는 반응 센터를 통해 다르게 흐릅니다. 그리고 반응 센터의 단백질 서열은 서로 관계를 맺지 않는 것 같습니다.
두 유형의 광 시스템은 녹색 식물, 조류 및 시아 노 박테리아에서 함께 모여 특히 복잡한 광합성 (ATP 및 탄수화물 형태로)과 에너지 (ATP 및 탄수화물 형태)를 생성하는 특히 복잡한 광합성 (산소 광합성)을 수행합니다. 나머지 광합성 유기체 (모두 박테리아)는 한 가지 유형의 반응 센터 만 사용합니다.
마치 1990 년대 초반 에이 반응 센터의 결정 구조가 나타나기 시작할 때까지 두 개의 진화 나무가 따라 보였습니다. 그런 다음 연구원들은 광 시스템 I 및 II의 반응 센터가 공통된 기원을 가지고 있다는 부인할 수없는 증거를 보았습니다. 센터의 특정 작업 구성 요소는 진화 동안 일부 대체물을 겪은 것으로 보였지만, 코어의 전체 구조적 모티프는 보존되었습니다. Imperial College London의 Solar Energy 생화학 회장 인 Bill Rutherford는“큰 구조적 특징이 유지되었지만 시퀀스 유사성이 사라 졌다는 것이 밝혀졌습니다.
Redding은“Nature는 작은 게임을하여 반응 센터의 일부 기능을 바꾸고 작동하는 메커니즘을 변경했습니다. “그러나 플레이 북을 다시 작성하지 않았습니다. 그것은 집을위한 쿠키 커터 디자인을 갖고 같은 집을 반복해서 건축 한 다음 객실의 배열 방식, 가구 배치 방법을 바꾸는 것과 같습니다. 같은 집이지만 내부 기능은 다릅니다.”
연구원들은 반응 센터 간의보다 자세한 비교를 시작하여 관계에 대한 단서와 그들이 어떻게 분기되는지를 찾았습니다. Heliobacteria는 그 목표에 몇 걸음 더 가까이 다가갔습니다.
이전 시간으로 돌아 가기
1990 년대 중반 아이슬란드의 온천 주변의 토양에서 발견되었으므로 h. 겸손한 연구원들에게 흥미로운 광합성 퍼즐 조각을 제시했습니다. 수백 종과 속을 가진 가족의 유일한 광합성 박테리아 인 Heliobacteria의 광합성 장비는 매우 간단합니다. 2008 년에 시퀀싱되었을 때 더욱 명백해졌습니다.“유전학은 매우 간소화되어 있습니다.
Heliobacteria는 완벽하게 대칭적인 반응 센터를 가지고 있으며, 대부분의 박테리아에서 발견되는 엽록소와 다른 Bacteriochlorophyl의 형태를 사용하며 다른 광합성 유기체가 할 수있는 모든 기능을 수행 할 수는 없습니다. 예를 들어, 그들은 이산화탄소를 탄소 공급원으로 사용할 수 없으며 산소에 노출 될 때 죽습니다. 실제로, 그들의 구조는 부분적으로 헬리오 박테리아를 산소로 절연시키는 데있어 기술적 인 어려움으로 인해 거의 7 년이 걸렸다. Redding은“처음으로 작업을 시작했을 때 두 번 이상 죽였습니다.”
.세인트 루이스 워싱턴 대학의 광합성 연구의 주요 인물 인 Robert Blankenship은“Heliobacteria는 조직에서 단순성을 가지고 있으며, 식물 및 기타 유기체에서 매우 정교한 시스템에 비해 놀랍습니다. "그것은 초기의 진화 시간으로 거슬러 올라갑니다."
Redding은 대칭 및 기타 기능과 다른 기능은“매우 벗겨진 것을 나타냅니다.
과거의 엿보기
결정화 된 반응 센터의 이미지를 신중하게 찍은 후, 팀은 반응 센터가 공식적으로 I 형으로 분류되지만 두 시스템의 하이브리드 인 것처럼 보였습니다. 레딩은“우리가 생각했던 것보다 사진 시스템과는 다릅니다. Gisriel에 따르면 어떤 사람들은 이것을“1.5 타입”이라고 부를 수도 있습니다.
그 결론의 한 가지 이유는 광합성 반응 센터에서 전자를 전달하는 데 도움이되는 Quinones라는 기름진 분자와 관련이 있습니다. 지금까지 연구 된 모든 반응 센터는 전자 전달 공정의 어느 시점에서 바운드 퀴논을 중간체로 사용합니다. 광 시스템 I에서, 양쪽의 퀴논은 단단히 묶여있다. Photosystem II에서는 한쪽에 단단히 묶여 있지만 다른쪽에는 느슨하게 묶여 있습니다. 그러나 Heliobacterium Reaction Center의 경우에는 해당되지 않습니다. Redding, Fromme와 Gisriel은 전자 전달 체인의 디딤돌 사이에서 영구적으로 결합 된 퀴논을 찾지 못했습니다. 그것은 아마도 전자를 수용하는 데 여전히 관여하지만 모바일이며 막을 통해 확산 될 수 있음을 의미합니다. 더 활발한 다른 분자를 사용할 수 없을 때 시스템은 전자를 전자로 보낼 수 있습니다.
이 발견은 연구팀이 초기 반응 센터가 무엇을했는지 추론하는 데 도움이되었습니다. 레딩은“그들의 직업은 모바일 퀴논을 줄일 가능성이 높았다. "그러나 그들은 아주 잘하지 못했습니다." 연구원의 시나리오에서, 엄격하게 묶인 퀴논 사이트는보다 최근의 적응이며, 오늘날의 I 형 및 II 형 반응 센터는 대안적인 진화 전략을 나타냅니다. 대안 적 진화 전략을 나타냅니다.
“그러나 질문은 왜 입니다 자연이 이런 종류의 전자 전달 체인을 바꾸 었습니까?” Fromme가 물었다. 그의 작품은 산소와 관련이 있다는 가설을 뒷받침합니다.
유기체가 너무 많은 빛에 노출되면 전자가 전달 체인에 쌓입니다. 산소가 주변에 있으면이 축적은 유해한 반응성 산소 상태로 이어질 수 있습니다. 단지에 단단히 결합 된 Quinone을 추가하면 잠재적 인 교통 체증을 처리하기위한 추가 슬롯을 제공 할뿐만 아니라; 분자는 전달 체인에 사용 된 다른 사람들과 달리 분자가 해당 유해한 형태의 산소를 생산할 위험이 없습니다. Gisriel은 반응 센터가 왜 비대칭이되었는지에 대한 비슷한 설명이 효과가 있다고 Gisriel은 다음과 같이 덧붙였다. 그렇게하면 더 많은 디딤돌도 추가했을 것입니다.
연구원의 다음 단계 중 하나는이 비대칭 과이 단단한 Quinones가 그림에 들어 왔을 때 시간 도장을 씌우는 것입니다. 이는 산소 광합성이 가능한시기를 결정하는 데 도움이 될 것입니다.
.모든 도로는 산소로 이어집니다
최근 연구에 참여하지 않았지만 결과를 해석하기 시작한 Cardona는 Heliobacterium 반응 센터에서 힌트를 발견했을 것이라고 생각합니다. 그에 따르면,이 복합체는 초기 목적이 아니더라도 광합성 동안 산소 생산에 나중에 자신을 빌려 줄 구조적 요소를 가지고있는 것으로 보인다. 그는 Heliobacteria의 구조에서 칼슘에 대한 특정 결합 부위가 Photosystem II에서 망간 클러스터의 위치와 동일하다는 것을 발견하여 물을 산화시키고 산소를 생산할 수있게 해주었다.
.Cardona는“일부 단계에서 조상 [칼슘] 부위가 망간 클러스터로 바뀌면 I 형과 II 형 반응 센터 사이의 발산에서 가장 빠른 사건에 물 산화가 관여했음을 시사합니다. 결과적으로 산소 광합성이 예상보다 훨씬 오래된 것을 의미합니다. 과학자들은 일반적으로 산소 광합성이 큰 산소화 사건 직전에 나타 났으며, 산소가 지구 대기에 쌓이기 시작했고 2.3 ~ 25 억 년 전에 대량 멸종을 일으켰다. Cardona가 옳다면 광합성이 데뷔 한 직후 거의 10 억 년 전에 진화했을 것입니다.
그 타이밍은 산소 광합성을 수행하는 최초의 유기체로 일반적으로 인정받은 시아 노 박테리아를 사전 할 수있을 정도로 일찍이었을 것입니다. Cardona에 따르면, 많은 박테리아가 그렇게 할 수있는 경우 일 수 있지만, 돌연변이, 발산 및 기타 사건 후에 시아 노 박테리아만이 능력을 유지 한 것이 가능합니다. (Cardona는 올해이 가설에 대한 다른 분자 증거를 언급 한 논문을 발표했습니다. 그는 아직 동료 검토를위한 칼슘과 관련된 잠재적 링크에 대한 논쟁을 공식적으로 제시하지 않았지만, 그의 웹 사이트와 연구원을위한 과학적 네트워킹 사이트에 아이디어에 대해 글을 썼으며, 최근에 논문을 작업하기 시작했습니다.)
.그 가설은 광합성의 기원에 대한 널리 보유 된 아이디어 중 하나와 모순됩니다. 광합성이 불가능한 종은 갑자기 다른 유기체로부터 측면으로 전달 된 유전자를 통해 능력을 얻었습니다. Cardona에 따르면, 새로운 발견에 비추어, 수평 유전자 전달과 유전자 손실은 반응 센터의 다각화에 중요한 역할을했을지 모르지만, 후자는 가장 초기 사건에 대한 책임이 있다고 의심한다. 그는이 발견은“균형이 유전자 손실 가설을 향한 균형과”-광합성이 시간이 지남에 따라 일부 박테리아 그룹이 잃어버린 조상 특성이라는 생각에 대한 아이디어를 제안 할 수 있다고 말했다.
모든 사람이 확실하지는 않습니다. Blankenship은 회의적입니다. "나는 그것을 사지 않는다"고 말했다. "여기에는 산소 광합성이 훨씬 더 일찍 발생했음을 암시하는 데이터가 없습니다." 그에게 Redding의 작품, Fromme와 그들의 공동 작업자들은 이러한 질문에 대답하지 않았습니다. 그것은 일어난 일에 대해서만 추측했다. 이 퍼즐을 해결하기 위해 과학자들은 다른 박테리아의 반응 센터 구조가 필요하므로 진화 나무의 비틀림 뿌리를 개선하기 위해 구조적 차이와 유사성을 계속 평가할 수 있습니다.
Gisriel은“[Cardona]가 말하는 것이 옳을 가능성이 전적으로 가능하다고 생각합니다. 그러나 나는 또한 분야가 잠시 동안 그와 함께 앉아 더 많은 분석을 하고이 구조의 작동 방식에 대해 더 많이 이해하는지 확인하십시오. "
.합성 경로로가는
일부 연구원들은 다음 구조의 출판을 기다리지 않습니다. 이것은 결국 7 년이 걸렸습니다. 그들은 대신 합성 실험을 추구하고 있습니다.
예를 들어 러더 포드와 그의 동료들은“역전 진화”기술을 사용하고 있습니다. 그들은 Redding과 같은 구조 정보를 사용하여 아키텍처를 이해하기 위해 실종 링크 반응 센터의 서열을 예측하기를 희망합니다. 그런 다음 그들은 그 가상의 조상 시퀀스를 종합하고 그들이 어떻게 진화하는지 테스트 할 계획입니다.
한편, 레딩과 그의 팀은 헬리오 박테리아의 대칭 반응 센터를 일본의 두 연구원의 발자취에 따라 오사키 칸 대학교의 히로 조 오-아카이 (Chihiro Azai)의 발자취를 따라 비대칭적인 것으로 인위적으로 전환하기 시작했다. 그룹은 그들의 작업이 먼 과거의 실제 생활에서 이러한 적응이 어떻게 일어 났는지를 명확하게 할 것이라고 믿는다.
20 년 전, Nitschke는 광합성의 진화에 대한 작업을 중단하고 다른 문제에 관심을 돌 렸습니다. "너무 희망이없는 것처럼 보였다"고 말했다. 그러나 Redding, 그의 팀 및 다른 그룹이 수행 한 연구는 그 야망을 다시 시작했습니다. Nitschke는“그들이 말했듯이, 당신의 첫사랑은 항상 당신과 함께 있습니다. "저는이 새로운 구조에 대해 정말로 흥분 하고이 모든 것에 대해 다시 생각할 계획입니다."
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