Gambar 3D revolusioner mengungkap rahasianya

Gambar tersebut menunjukkan model 3D resolusi tinggi dari PEP RNA polimerase tanaman, yang memainkan peran penting dalam fotosintesis. Kredit: Paula Favoretti Vital do Prado dan Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG

Para ilmuwan dari Hannover dan Göttingen telah berhasil menciptakan visualisasi tiga dimensi dari mesin pengkopi kloroplas.

Yang penting bagi kelangsungan hidup di Bumi adalah proses dimana tumbuhan melakukan fotosintesis untuk menghasilkan oksigen dan energi kimia menggunakan sinar matahari. Para ilmuwan dari Göttingen dan Hannover kini telah mencapai terobosan dengan menciptakan untuk pertama kalinya visualisasi 3D resolusi tinggi dari mekanisme penyalinan kloroplas, RNA polimerase PEP. Struktur kompleks ini menawarkan wawasan baru mengenai fungsi dan sejarah evolusi peralatan seluler penting ini, yang berperan penting dalam menafsirkan cetak biru genetik untuk protein yang terlibat dalam fotosintesis.

Tanpa fotosintesis, tidak akan ada udara untuk bernafas – ini adalah dasar dari semua kehidupan di Bumi. Proses kompleks ini memungkinkan tanaman mengubah karbon dioksida dan air menjadi energi kimia dan oksigen menggunakan energi cahaya matahari. Konversi terjadi di kloroplas, jantung fotosintesis. Kloroplas berkembang selama evolusi ketika nenek moyang sel tumbuhan masa kini menyerap cyanobacteria fotosintetik. Seiring waktu, bakteri menjadi semakin bergantung pada “sel inang” tetapi tetap mempertahankan beberapa fungsi penting, seperti fotosintesis dan bagian genom bakteri. Jadi kloroplas masih memiliki DNA sendiri, yang berisi cetak biru protein kunci dari “mesin fotosintesis”.

Dengan PEP untuk energi

“Mesin penyalin molekul unik, RNA polimerase yang disebut PEP, membaca instruksi genetik dari materi genetik kloroplas,” jelas Prof. Dr. Hauke ​​​​Hillen, Pemimpin Kelompok Penelitian di Max Planck Institute (MPI) untuk Ilmu Multidisiplin, Profesor di Universitas Medical Center Göttingen dan anggota Cluster of Excellence Göttingen “Multiscale Bioimaging” (MBExC). Hal ini penting untuk aktivasi gen yang diperlukan untuk fotosintesis, kata Hillen. Tanpa PEP yang berfungsi, tumbuhan tidak dapat berfotosintesis dan tetap berwarna putih, bukannya berubah menjadi hijau.

Proses penyalinannya tidak hanya rumit, tetapi juga mesin penyalinnya sendiri: Mesin penyalinnya terdiri dari kompleks inti multisubunit, bagian proteinnya dikodekan dalam genom kloroplas, dan setidaknya dua belas protein terkait, yang disebut PAP. Genom inti sel tumbuhan memberikan cetak birunya. “Sejauh ini, kami telah mampu mengkarakterisasi secara struktural dan biokimia beberapa bagian mesin fotokopi kloroplas, namun kami tidak memiliki wawasan yang tepat mengenai keseluruhan struktur dan fungsi masing-masing PAP,” kata Profesor Dr. Thomas Pfannschmidt, Profesor di Institut Botani di Universitas Leibniz Hannover.

Gambar detail dalam 3D

Bekerja sama erat, para peneliti yang dipimpin oleh Hauk Hillen dan Thomas Pfannschmidt kini berhasil memvisualisasikan 19 subunit kompleks PEP dalam 3D untuk pertama kalinya pada resolusi 3,5 angstrom – 35 juta kali lebih kecil dari satu milimeter.

“Kami mengisolasi PEP utuh dari sawi putih, tanaman model khas dalam penelitian tanaman,” jelas Frederik Ahrens, anggota tim Pfannschmidt dan salah satu penulis pertama penelitian yang kini dipublikasikan di jurnal tersebut. Sel Molekuler. Dengan menggunakan mikroskop krio-elektron, para peneliti kemudian membuat model 3D rinci dari 19 bagian kompleks PEP. Untuk ini, sampel dibekukan dengan sangat cepat. Para peneliti kemudian memotret mesin fotokopi tersebut ribuan kali hingga tingkat atom dari berbagai sudut dan menggabungkannya menjadi satu gambar keseluruhan menggunakan perhitungan komputer yang rumit.

Gambar struktural menunjukkan bahwa inti PEP mirip dengan RNA polimerase lainnya, seperti bakteri atau inti sel dari sel yang lebih tinggi. Namun, ia mengandung fitur khusus kloroplas yang memediasi interaksi dengan PAP. Yang terakhir hanya ditemukan pada tanaman. dan strukturnya unik, ” jelas Paula Favoretti Vital do Prado, mahasiswa PhD di MPI, anggota Hertha Sponer College MBExC dan juga penulis pertama studi tersebut. Para ilmuwan telah berasumsi bahwa PAP memenuhi fungsi individu dalam membaca gen fotosintesis “Seperti yang dapat kami tunjukkan, protein mengatur dirinya sendiri dengan cara khusus di sekitar nukleus RNA polimerase.” Berdasarkan strukturnya, kemungkinan besar PAP berinteraksi dengan kompleks inti dalam berbagai cara dan terlibat dalam proses pembacaan gen,” tambah Hillen.

Memahami evolusi fotosintesis

Kolaborasi penelitian juga menggunakan database untuk mencari petunjuk evolusi. Mereka ingin melihat apakah arsitektur mesin fotokopi yang diamati serupa di pabrik lain. “Hasil kami menunjukkan bahwa struktur kompleks PEP sama di semua tanaman darat,” kata Pfannschmidt. Wawasan baru mengenai proses penyalinan DNA kloroplas membantu kita untuk lebih memahami mekanisme dasar biogenesis mesin fotosintesis. Mereka mungkin juga bermanfaat untuk aplikasi bioteknologi di masa depan.

Referensi: “Struktur RNA polimerase kloroplas multi-subunit” oleh Paula FV do Prado, Frederik M. Ahrens, Monique Liebers, Noah Dietz, Hans-Peter Braun, Thomas Pfannschmidt dan Hauke ​​​​S. Hillena, 29 Feb 2024, Sel Molekuler.
DOI: 10.1016/j.molcel.2024.02.003

Studi ini didanai oleh German Research Foundation (FOR2848, SFB1565, PF323-7 dan SPP 2237 MadLand (PF323-9)) dan dalam Strategi Keunggulan (EXC 2067/1 – 390729940) melalui Cluster of Excellence “Multiscale Bioimaging: From Mesin Molekuler ke Jaringan Sel yang Bersemangat” (MBExC) dan juga oleh Dewan Riset Eropa (ERC) dalam program EU Horizon 2020 dengan ERC Starting Grant MitoRNA (Perjanjian Hibah No. 101116869).