Para ilmuwan membuka rahasia alga yang seharusnya tidak bertahan – tetapi tidak

Ilmuwan sedang belajar C. Merolaealga yang berkembang di ladang Phlegraean vulkanik Italia, untuk memahami uniknya fotosintesis proses.

Bidang Phlegraean Italia adalah daerah vulkanik yang sangat aktif, ditandai dengan lanskap yang terus berubah yang dihiasi dengan mata air panas asam. Kaldera yang luas ini adalah bagian dari busur gunung berapi Campania, yang juga termasuk Gunung Vesuvius – gunung berapi yang bertanggung jawab atas penghancuran pompeii pada 79 CE

Terlepas dari kondisinya yang keras dan mendidih, bidang Phlegraean mendukung mikroorganisme yang tangguh. Para peneliti di Michigan State University sedang mempelajari satu organisme semacam itu – jenis ganggang tertentu – untuk memahami bagaimana hal itu berkembang dalam lingkungan yang ekstrem.

Dalam makalah baru yang diterbitkan di Fisiologi tanamanPara peneliti di Laboratorium Penelitian Tanaman MSU-DOE dan Lab Walker-bekerja sama dengan Shachar-Hill Lab dari Departemen Biologi Tanaman-sedang mempelajari cyanidioschyzon merolae, atau C. Merolae, dan kemampuan uniknya untuk fotosintesis makanannya sendiri.

Memahami bagaimana C. Merolae beroperasi dalam kondisi ekstrem seperti itu dapat membantu para ilmuwan dengan lebih baik mengekstrapolasi – atau meningkatkan – proses fotosintesis, fungsi yang vital bagi semua kehidupan di bumi.

Perspektif baru tentang fotosintesis

“Sains hanya menggambarkan sepotong sempit tentang bagaimana alam telah menghadapi tantangan yang sama, tetapi dengan cara yang berbeda,” kata Berkley Walker, penyelidik utama untuk penelitian ini. Makalah “melakukan pekerjaan yang baik untuk menentukan bahwa cara kita biasanya melihat sesuatu yang dilakukan bukanlah cara yang harus dilakukan.”

Studi ini melihat mekanisme karbon-konsentrasi, atau CCM, di C. merolae. Banyak organisme fotosintesis menggunakan CCM untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis. CCM bertindak sebagai pengemudi pengiriman, mengambil karbon dioksida dan menempatkannya di tempat yang dapat digunakan dengan baik.

Saat ini, CCM dipahami dengan baik pada tanaman, tetapi hanya ditandai dengan baik untuk segelintir ganggang jenis.

“C. Merolae adalah organisme yang sangat sederhana, sehingga tidak memiliki semua struktur dan kemampuan yang biasanya diasosiasikan oleh orang dengan cara kerja mekanisme yang berkonsentrasi karbon,” kata Anne Steensma, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Biologi Tumbuhan dan Program Pascasarjana Ilmu Pengetahuan Molekuler. Dia adalah penulis pertama dari penelitian ini. “Makalah kami mendapatkan apa … fitur dasar yang Anda butuhkan untuk membangun mekanisme konsentrasi karbon.”

Bekerja dengan kolaborator dari Departemen Statistik dan Probabilitas MSU, para peneliti merancang model matematika untuk mensimulasikan C. Merolae. Banyak upaya untuk merancang dan menyempurnakan model alga ini sehingga para peneliti dapat terus menggunakannya dalam studi lebih lanjut.

“Tantangan besar dalam penelitian ini adalah mencari cara untuk memahami bagaimana berbagai parameter berbeda yang kami pasang ke model kami bekerja untuk berinteraksi satu sama lain,” kata Joshua Kaste, seorang penulis pertama di makalah ini bersama Steensma. “Ini membuat kolaborasi kami dengan Dr. Chih-Li Sung dan Junoh Heo di departemen statistik sangat penting.”

Membangun model matematika

Untuk membuat model ini, para peneliti memasukkan data yang akan memungkinkan model untuk bertindak sebagai sel C. Merolae dalam kehidupan nyata, atau sedekat mungkin dengan itu. Ini seperti memberi aktor skrip: Anda tahu kata -kata yang akan diucapkan aktor, tetapi tidak setiap detail dari kinerja mereka. Komponen CCM yang paling dipahami oleh para peneliti adalah skrip, mengkode komputer untuk membuat model mekanisme menjadi sebanyak mungkin ketepatan mungkin.

Memiliki model ini memungkinkan para peneliti untuk memasukkan kondisi baru untuk melihat bagaimana alga mungkin merespons. Misalnya, mereka dapat menghapus bagian model dan melihat apakah itu merusak fungsi CCM. Ini dapat membantu para peneliti mempersempit bagian alga mana yang sangat penting bagi CCM.

“Ini menunjukkan kepada kita 'jalur minimal ke depan' untuk merekayasa mekanisme konsentrasi karbon,” kata Walker, yang juga menjabat sebagai associate professor di PRL dan Departemen Biologi Tumbuhan. “Cara lain untuk melihatnya adalah bahwa mungkin kita dapat meningkatkan sistem konsentrasi karbon sederhana ini di C. merolae dan mencapai pertumbuhan yang lebih besar di bawah lingkungan ekstrem yang hidup di bawahnya.”

Referensi: “Pemodelan dengan Kuantifikasi Ketidakpastian Mengungkap Esensi Mekanisme Konsentrasi Karbon Alga Non-Kanonik” oleh Anne K Steensma, Joshua Am Kaste, Junoh Heo, Douglas J Orr, Chih-Li Sung, Yair Shachar-Hill dan Berkley J Walker, 4 Desember 2024, Fisiologi tanaman.
Doi: 10.1093/plphys/kiae629

Penelitian ini didanai oleh Divisi Ilmu Kimia, Geosains dan Biosains, Kantor Ilmu Energi Dasar dari Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) (nomor hibah DE-FG02-91ER20021). Pendanaan tambahan berasal dari DOE (nomor hibah DE-SC0018269), Institut Nasional Ilmu Kedokteran Umum Institut Kesehatan NasionalProgram Pelatihan Penelitian Nasional Yayasan Penelitian, dan National Science Foundation.