В результате своей зависимости от железа фотосинтетические клетки, производящие кислород, сталкиваются с двоякой дилеммой. С одной стороны, трехвалентное железо (Fe3 +) и кислород, как правило, вступают в реакцию друг с другом и образуют ржавчину, которая обычно нерастворима в богатой кислородом среде, а это означает, что полученное соединение железа не может использоваться для обмена веществ.
С другой стороны, двухвалентное железо (Fe2 +) может приводить к созданию опасных свободных радикалов, вступая в реакцию с молекулами, которые присутствуют в каждой живой клетке. Таким образом, железо является важным, но потенциально опасным элементом, и клетки должны постоянно регулировать его состояние и концентрацию.
Ученым давно известно, что многие бактерии поддерживают стабильный уровень железа с помощью фактора транскрипции под названием Fur, что означает «регулятор поглощения железа». Когда присутствует достаточное количество железа, мех связывает его. Это позволяет Fur действовать как репрессор, то есть подавлять экспрессию определенных генов. Если происходит железное голодание, мех теряет связанный атом железа, позволяя бактериям производить определенные белки, которые, например, обеспечивают усвоение железа.
Когда доступно недостаточно железа, бактерии также должны подавлять экспрессию других генов, чтобы они могли остановить производство белков, которые особенно богаты железом и не являются абсолютно необходимыми для выживания в неблагоприятных условиях. Это особенно верно в отношении аппарата кислородного фотосинтеза, который представляет собой наиболее богатую железом супрамолекулярную структуру в клетке. Транскрипция информации, содержащейся в ДНК, включает регуляторные РНК.
Одна из таких молекул РНК — IsaR1. При низком уровне железа IsaR1 влияет на фотосинтетический аппарат цианобактерий тремя различными способами. Во-первых, IsaR1 подавляет экспрессию множества белков, важных для фотосинтеза.
Во-вторых, IsaR1 вмешивается в биохимический путь, ведущий к производству зеленого фотосинтетического пигмента хлорофилла, который необходим в меньших количествах при дефиците железа. В-третьих, IsaR1 работает против экспрессии белков кластеров железо-сера, которые также важны для фотосинтеза.Также примечательно то, что IsaR1 состоит всего из 68 нуклеотидов по сравнению с генами регуляторных белков, которым часто требуются тысячи этих строительных блоков. «Открытие того, что такая короткая молекула РНК контролирует такой важный акклиматический ответ в метаболизме и, таким образом, влияет на фотосинтетический аппарат на трех разных уровнях, было большим сюрпризом», — сказал Вольфганг Хесс. Выводы команды не только дают представление о ранее неизвестной стратегии акклиматизации фотосинтетических цианобактерий; они также позволяют исследователям сделать ключевые выводы о регуляции фотосинтетических процессов у всех «зеленых» организмов, включая растения и водоросли.
Фон: цианобактерииМикрофоссилии, называемые строматолитами, обнаруженные в Австралии, показали, что фотосинтезирующие цианобактерии являются одними из древнейших форм жизни на Земле. Подобные клетки даже существовали более трех миллиардов лет назад. Их фотосинтетическая активность высвобождает кислород в атмосферу, где он накапливается на протяжении тысячелетий и в конечном итоге способствует эволюции животных и людей.
Цианобактерии, особенно обитающие в океане, сегодня продолжают играть важную роль в экологических циклах.