Novas pesquisas revelam os segredos atômicos da fotossíntese, fornecendo insights sobre o complexo processo de transcrição da RNA polimerase do cloroplasto. Este avanço é promissor para melhorar a resiliência das culturas e compreender os mecanismos de crescimento das plantas. Crédito: SciTechDaily.com
Os mistérios de fotossíntese foram revelados a nível atómico, fornecendo novos conhecimentos significativos sobre esta superpotência vegetal que transformou a Terra numa paisagem verde há mais de mil milhões de anos.
Os pesquisadores do John Innes Center usaram um método de microscopia avançado chamado crio-EM para explorar como as proteínas fotossintéticas são produzidas.
O estudo, publicado em Célula, apresenta um modelo e recursos para estimular novas descobertas fundamentais neste campo e auxiliar objetivos de longo prazo de desenvolvimento de culturas mais resilientes.
Compreendendo a produção fotossintética de proteínas
Dr Michael Webster, líder do grupo e coautor do artigo, disse: “A transcrição dos genes do cloroplasto é um passo fundamental na produção das proteínas fotossintéticas que fornecem às plantas a energia de que necessitam para crescer. Esperamos que, ao compreender melhor este processo – ao nível molecular detalhado – possamos equipar os investigadores que procuram desenvolver plantas com uma atividade fotossintética mais robusta.”
“O resultado mais importante deste trabalho é a criação de um recurso útil. Os pesquisadores podem baixar nosso modelo atômico da polimerase do cloroplasto e usá-lo para produzir suas próprias hipóteses de como ela poderia funcionar e estratégias experimentais que as testariam.”
A fotossíntese ocorre dentro dos cloroplastos, pequenos compartimentos dentro das células vegetais que contêm seu próprio genoma, refletindo seu passado como bactérias fotossintéticas de vida livre antes de serem engolfadas e cooptadas pelas plantas.
Vendo a molécula de polimerase que transcreve genes fotossintéticos no cloroplasto da planta. Imagens de moléculas individuais coletadas com um microscópio eletrônico foram classificadas e alinhadas para revelar detalhes da arquitetura estrutural do complexo proteico. Crédito: Michael Webster e Ishika Pramanick
O grupo Webster do John Innes Center investiga como as plantas produzem proteínas fotossintéticas, as máquinas moleculares que fazem essa elegante reação química acontecer, convertendo o dióxido de carbono atmosférico e a água em açúcares simples e produzindo oxigênio como subproduto.
O primeiro estágio na produção de proteínas é a transcrição, onde um gene é lido para produzir um “mensageiro”. ARN‘. Este processo de transcrição é feito por uma enzima chamada RNA polimerase.
A complexidade da RNA polimerase do cloroplasto
Foi descoberto há 50 anos que os cloroplastos contêm sua própria RNA polimerase. Desde então, os cientistas ficaram surpresos com a complexidade dessa enzima. Possui mais subunidades do que seu ancestral, a RNA polimerase bacteriana, e é ainda maior que as RNA polimerases humanas.
O grupo Webster queria entender por que os cloroplastos possuem uma RNA polimerase tão sofisticada. Para fazer isso, eles precisavam visualizar a arquitetura estrutural da RNA polimerase do cloroplasto.
A equipe de pesquisa usou um método chamado microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) para obter imagens de amostras de RNA polimerase de cloroplasto purificadas de plantas de mostarda branca.
Insights da análise em nível atômico
Ao processar essas imagens, eles conseguiram construir um modelo que contém as posições de mais de 50 mil átomos no complexo molecular.
O complexo de RNA polimerase compreende 21 subunidades codificadas nos dois genomas, nuclear e cloroplasto. A análise detalhada dessa estrutura, à medida que ela realiza a transcrição, permitiu aos pesquisadores começar a explicar as funções desses componentes.
O modelo permitiu identificar uma proteína que interage com o ADN à medida que está sendo transcrito e o guia para o sítio ativo da enzima.
Outro componente pode interagir com o mRNA que está sendo produzido, o que provavelmente o protege de proteínas que o degradariam antes de ser traduzido em proteína.
Dr Webster disse: “Sabemos que cada componente da RNA polimerase do cloroplasto tem um papel vital porque as plantas que não possuem nenhum deles não podem produzir proteínas fotossintéticas e, consequentemente, não podem ficar verdes. Estamos estudando os modelos atômicos cuidadosamente para identificar qual é o papel de cada um dos 21 componentes da montagem.”
O primeiro autor conjunto, Dr. Ángel Vergara-Cruces, disse: “Agora que temos um modelo estrutural, o próximo passo é confirmar o papel das proteínas de transcrição do cloroplasto. Ao revelar mecanismos de transcrição do cloroplasto, nosso estudo oferece informações sobre seu papel no crescimento e adaptação das plantas e na resposta às condições ambientais.”
Ishika Pramanick, primeiro autor conjunto, disse: “Houve muitos momentos surpreendentes nesta jornada de trabalho notável, começando com a purificação de proteínas muito desafiadora até obter imagens crio-EM impressionantes desta enorme proteína complexa e finalmente ver nosso trabalho em uma versão impressa. ”
O Dr. Webster concluiu: “O calor, a seca e a salinidade limitam a capacidade das plantas de realizar a fotossíntese. As plantas que podem produzir proteínas fotossintéticas de forma confiável diante do estresse ambiental podem controlar a transcrição do cloroplasto de maneira diferente. Estamos ansiosos para ver nosso trabalho utilizado no importante esforço para desenvolver culturas mais robustas.”
Referência: “Estrutura da RNA polimerase codificada por plastídio vegetal” por Ángel Vergara-Cruces, Ishika Pramanick, David Pearce, Vinod K. Vogirala, Matthew J. Byrne, Jason KK Low e Michael W. Webster, 29 de fevereiro de 2024, Célula.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.01.036
