Co robi mądry człowiek? Szuka alternatyw. Paliwa kopalne ani nie są odwieczne, ani nie są na wieczność. Co robi mądry człowiek? Szuka alternatyw, choćby w energii pochodzącej ze słońca, które, jak mówi Dobra Księga, świeci dla złych i dobrych – za darmo. Dawno temu organizmy środowisk ubożejących w pokarm musiały – ujmując rzecz antropomorficznie – dokonać podobnej kalkulacji. Uległy dzięki matce ewolucji selekcji w stronę zdolności do fotosyntezy. Dziś uczeni starają się zobaczyć, jak można odtworzyć ten proces w laboratorium. „Nic się nie wie, dopóki się nie zrobi eksperymentu”. Badanie, o którym dziś chcę opowiedzieć, jest z zakresu bioinżynierii i próbuje pokazać, jak mogło w ogóle dojść do powstania na świecie zdolności do czerpania energii ze słońca. Selekcja naturalna takiej zdolności była nieunikniona i nastąpiła bardzo dawno temu. Samożywność dzięki energii słońca daje mnóstwo korzyści. Uniezależnia bowiem organizm, wtedy jeszcze zapewne jednokomórkowy – bakteryjny, od uzależnienia swego przeżycia od dostępności rozpuszczonych w wodzie związków organicznych. Najstarszymi ewolucyjnie, a dziś nadal funkcjonującymi organizmami fotosyntetyzującymi są sinice budujące buły stromatolitowe, a te formacje skalne miewają, jak się ocenia, nawet 3,7 mld lat. Czytaj także: Zagadka tabliczek klinowych. Sztuczna inteligencja na pomocSposób na fotosyntezę sinic jest oparty na czymś, co w szkole nazywaliśmy „ciałkami zieleni” – pęcherzykami otoczonymi błoną i wypełnionymi chlorofilem zdolnym do „pułapkowania” światła słonecznego. Co jest zagwozdką dla badaczy, system ten, choć ewidentnie pradawny, jest jednocześnie strasznie skomplikowany i wymaga współpracy bardzo wielu różnych białek. Działa jak dobrze wyregulowany zegarek z mnóstwem kół zębatych w środku. Znów teraz, podobnie jak przy okazji robota skolopendry: musimy się udać do Instytutu Technologicznego stanu Georgia w Atlancie (GeorgiaTech). Tam spotkamy grupę uczonych zajmujących się tzw. biologią systemów i biologią syntetyczną. Tu swoją pracę doktorską pod kierunkiem prof. Anthony’ego Burnetti robiła Autumn Peterson, której zadaniem było przyjrzeć się przy użyciu dostępnego dziś instrumentarium bioinżynierii zagadnieniu pochodzenia fototrofii, czyli dosłownie „odżywiania się światłem”. Do wyboru były dwie ścieżki. Bardzo pokrętna i zawiła ścieżka fotosyntezy opartej na chlorofilu, która dzięki endosymbiozie przodków komórek wyposażonych w jądra z bakteriami-sinicami jest dominującą wśród współczesnych roślin. Druga zaś ścieżka, znacznie bardziej niszowa, to tzw. retinalofototrofia, która opiera się na prostym systemie białek pochodzenia bakteryjnego zwanych rodopsynami. Owe rodopsyny rozprzestrzeniły się szeroko w drzewie życia dzięki przekazywania fragmentów DNA nie tylko własnym potomkom, ale i bliższym lub dalszym krewnym, niejako skacząc z gałęzi na gałąź. Oczywiście na dobry początek wybrano zabawę systemem rodopsynowym. I to w organizmie, który bioinżynierowie znają, jak za przeproszeniem łysą kobyłę – czyli w drożdżach piekarskich. Każdy, kto korzystał w życiu z drożdży, wie, że trzeba im dać nieco wody i łyżeczkę cukru, by dostać alkohol i gaz. Czasem istotniejszy jest dla nas produkt pierwszy (gdy robimy wino, piwo, samogon), czasem drugi (gdy pieczemy baby wielkanocne i ciasto drożdżowe ze śliwkami oraz po prostu chleb). Nie zmienia to jednak faktu, że to grzyby należące do workowców, że są cudzożywne i uwielbiają jeść sacharozę. To z jej rozkładu osiągają energię do życia, czyli wszelkich niezbędnych im biosyntez i powiększania liczby własnych komórek przez pączkowanie. Autumn Peterson postanowiła zatem włożyć do komórek Saccharomyces cerevisiae, a dokładnie do ich wewnątrzkomórkowych pęcherzyków wypełnionych płynem, zwanych wakuolami, białko rodopsyny kodowane przez gen z głowni kukurydzy. To też grzyb, ale nie pożyteczny, jak drożdże piekarskie, lecz chorobotwórczy dla kukurydzy, powodujący jej głownię guzowatą. Koszmarny ten fitopatogen jest od lat uważany za jeden z grzybów najistotniejszych dla gospodarki człowieka – bo też najbardziej niszczycielski. Eksperyment miał pozwolić na ustalenie, czy grzyb cudzożywny jak drożdże, który raczej nigdy nie był zdolny do fotosyntezy, „może funkcjonować jako względny, sztuczny fototrof”. Rodopsyna z głowni kukurydzy jest bardzo dobrze scharakteryzowana i funkcjonuje jako zakotwiczona w błonie tzw. pompa protonowa. Białko to zatem wbudowane w błonie wewnątrzkomórkowych pęcherzyków drożdży umożliwiła pompowanie protonów do wnętrza tej wakuoli przy wykorzystaniu energii światła. Normalnie drożdże umieją i muszą pompować protony, ale w tym celu są skazane na zużywanie ATP. Czyli brykietu energetycznego powstającego, gdy rozkładane jest ich pożywienie – cukier. Każdy woli zużywać mniej energii, nie więcej… Rachunek za energię to nie tylko papier, który my dostajemy od jej sprzedawcy, a który czasem stawia nam włosy na głowie. „Rachunek za energię” dostaje na bieżąco każda żywa komórka i musi zawsze być w stanie zapłacić, jeśli nie – ginie. Drożdże zatem „podpięte” do zewnętrznej sieci darmowej energii ze światła powinny sobie teoretycznie lepiej radzić od tych, które tylko z rozkładania cukru mają energię do życia.Czytaj też: 5 tys. lat temu tu był pub. Archeolodzy znaleźli też recepturę warzenia piwaGdy drożdże z rodopsyną i te bez (kontrolne) zaczęto hodować w zielonym świetle (to jest ta część światła, które pochłania czerwona rodopsyna), te pierwsze dzieliły się szybciej niż ich niezmodyfikowani przodkowie. Czyli rosły szybciej, dominowały. Efekt ustawał, gdy drożdże hodowano w ciemności. Jeśli zatem gen rodopsynowy wędrował sobie w poprzek drzewa życia, skacząc z gałęzi na gałąź, mógł w swojej pierwotnej, pradawnej formie wskoczyć z bakterii do organizmów wyposażonych w jądra komórkowe i podjąć działanie. Nie wiemy z całą pewnością, czy tak było, ale wiemy, że gdyby tak się stało, to by działało.Syntetyczną skrobię z dwutlenku węgla bez fotosyntezy Chińczycy już uzyskali. Nie chodzi zatem o przemysł, lecz raczej o zrozumienie, jak działa ewolucja, jak powstawały, krok za krokiem, bardzo złożone zespoły białkowe, zmniejszające organizmowi rachunek za energię, a więc dające liczne profity. Oczywiście w kwestii najpowszechniejszej na świecie dziś fototrofii opartej na chlorofilu nie ma jeszcze tego typu wyjaśnień. #wieszwiecejPolub nasDzięki uczonym z GeorgiaTech mamy pewien sztuczny konstrukt: drożdża nieco samożywnego, karmiącego się fotonami światła zielonego. Nie jest to jednak ewolucja przyłapana na gorącym uczynku. Niestety, tego typu organizmy, w których system fotosyntezy dopiero się krok za krokiem formował, przepadły w konkurencji z coraz bardziej wydajnymi energetycznie potomkami. Ślad po nich nie został albo jeszcze go nie znaleźliśmy – choć szukamy.Jak piszą sami autorzy pracy: „Pojawienie się fototrofii miało kluczowe znaczenie dla zwiększenia rozmiaru i skali biosfery, ponieważ umożliwiło organizmom wykorzystanie transportu energii napędzanego światłem do napędzania własnych procesów biologicznych”. Ze względu na to, choć praca uczonych z GeorgiaTech nadal jest na serwisie preprintowym, to omawia ją prestiżowe „Science”. Bo proces, którym ta publikacja naukowa się zajmuje, jest absolutnie priorytetowy dla życia na naszej planecie. Być może kiedyś była ona nie zielona, lecz purpurowa, bo pierwsza fototrofia opierała się o systemy rodopsynowe, nie chlorofilowe?