Cyanobakterier, der ligesom planter har fotosyntese og kan omdanne CO2 til sukker og ilt, skal kunne tilpasse sig en bred vifte af CO2-koncentrationer i omgivelserne. Nu har forskere kortlagt mekanismen bag. Fundet kan på sigt ændre måden, vi udnytter bakterier på – fra udvikling af medicin til produktion af klimavenlige kemikalier.
Cyanobakterier har spillet en enorm rolle i, at verden i dag ser ud, som den gør.
Det var nemlig i disse bakterier, at fotosyntesen opstod for mere end 2,4 mia. år siden, hvorefter Jordens atmosfære gik fra at indeholde en masse CO2 til også at indeholde ilt.
Over tid betød de stigende niveauer af ilt i atmosfæren, at der blev dannet grundlag for udvikling af dyr på Jorden – og dermed mennesker.
Gennem Jordens historie har cyanobakterierne også måtte tilpasse sig en bred vifte af niveauer af CO2. Det gælder ikke kun CO2 i atmosfæren, men også niveauerne af CO2 i mikromiljøer i for eksempel havet.
Nu har forskere for første gang identificeret, hvordan cyanobakterier tilpasser sig disse vekslende niveauer af CO2.
Opdagelsen, der også kan have en praktisk betydning, er offentliggjort i New Phytologist.
"Der kan være et potentiale i at udnytte cyanobakterier til at producere industrielt interessante stoffer, og i den sammenhæng er det vigtigt at vide, hvad der skaber de bedste vækstbetingelser for disse bakterier. Med denne opdagelse bliver vi klogere på, hvordan cyanobakterier tilpasser sig CO2, og hvordan CO2 kan være med til at regulere bakteriernes vækst," forklarer en af forskerne bag opdagelsen, lektor Taina Tyystjärvi fra Universitet i Turku, Finland.
Et fjernet protein gør bakterier sårbare for CO₂
Fundet tager afsæt i Taina Tyystjärvis mangeårige arbejde med cyanobakteriers maskineri til at læse gener.
RNA-polymerasen er cellens kopimaskine – et enzymkompleks, der omsætter DNA’ets opskrifter til de proteiner, der udgør cellers og dermed livets fundament.
Forskerne ønskede i den sammenhæng at afdække rollen af en lille, ikke-essentiel underenhed af RNA-polymerasen, slettede den og opdagede en uventet fænotype, nemlig en mutant af cyanobakterier, der kan vokse ved normale CO2-niveauer, men dørved højt CO₂, som ellers fremmer væksten af normale cyanobakterier.
Det er denne mutant, som forskerne nu har undersøgt til bunds og derigennem identificeret, hvilke signalveje der spiller en rolle i cyanobakteriernes CO2-tilpasning.
Genændringer afslører bakteriernes skjulte CO₂-sensor
I forskningsarbejdet udnyttede forskerne både bioinformatik, biokemi og 3D-modellering af proteiner til at blive klogere på den mutante cyanobakterie.
Først og fremmest identificerede de, at cyanobakterien manglede en underenhed af RNA-polymerasen, og at denne underenhed spiller en rolle for tilpasningen til CO₂.
Herefter identificerede de, hvordan mutationer i andre gener kunne modvirke mutationen i underenheden af RNA-polymerasen, så cyanobakterien alligevel kunne vokse under betingelser med høje niveauer af CO₂ i omgivelserne.
Forskningen viste, at ændringer i ssr1600-genet kan udløse et samspil mellem tre proteiner (Ssr1600, SigC og Slr1861). Tilsammen danner de en biokemisk dominorække – en form for signalsti – som gør det muligt for cyanobakterier at sanse CO₂-niveauet og justere væksten derefter.
Når CO₂ bliver et signal, der styrer cellens vækst
Det kan lyde teknisk, men pointen er enkel: Når denne signalkaskade bliver forstyrret, som hos den mutant forskerne har undersøgt, ophobes et særligt enzymkompleks. Det fungerer som en fod på bremsen og hæmmer de gener, der normalt bygger cellevægge, driver fotosyntese og optager næring.
Det særlige signalsystem fungerer som cellens indre kontroltårn, der holder styr på alt fra vækst til fotosyntese. Desuden er signalkaskaden en del af en regulering, hvis funktion endnu ikke er fuldt ud forstået, men som ser ud til at kontrollere ikke kun fotosyntetisk aktivitet, men også hvordan fast kulstof fordeles mellem vækst og lagring.
"Opdagelsen af en særlig CO₂-styret signalkæde afslører, hvordan miljøets CO₂-niveauer kan tænde og slukke for gener i cellen. Denne mekanistiske indsigt knytter miljøsignaler direkte til vækstregulering og giver en dybere forståelse af mikroorganismers modstandsdygtighed og tilpasningsevne," forklarer Taina Tyystjärvis.
Fund kan bane vej for grøn produktion
Taina Tyystjärvis siger, at forskningsresultatet kan være af interesse for andre end cyanobakterieforskere.
Mange steder i verden ser industrien muligheder i at anvende cyanobakterier industrielt til at producere en lang række interessante stoffer, fra lægemidler til andre værdifulde kemikalier.
Høje produktionsudbytter kræver imidlertid, at man kan kontrollere fordelingen af det faste kulstof mellem vækst og produktion af kemikalier.
Ved at manipulere den identificerede signalkaskade og samtidig bruge syntetiske biologiske værktøjer til at erstatte naturlige produkter med nogen med industriel interesse vil det ifølge Taina Tyystjärvis være muligt at opnå en meget effektiv produktion på en samtidig CO2-neutral måde.
Det vil ifølge forskeren være optimalt også at genanvende næringsstoffer fra spildevand, da cyanobakterier effektivt opsamler både fosfat og nitrat eller ammonium fra spildevand.
"Da vi identificerede denne mutant, troede vi, at den ville vokse godt i høje CO2-koncentrationer. Den lever jo af CO2. Men vi fandt ud af, at den i stedet døde. Dette vidner om en bakteriel tilpasning, som vi muligvis kan manipulere, så vi kan få cyanobakterier til at trives bedst muligt under meget høje CO2-koncentrationer for optimal vækst," siger Taina Tyystjärvis.
