Categories: Biologi

Pemahaman Baru tentang Proses Fotosintesis

Baru-baru ini, para peneliti Berkeley Lab berhasil mengungkapkan sebuah pemahaman baru tentang proses fotosintesis.

Para peneliti di Departemen Energi Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) menggunakan salah satu mikroskop paling canggih di dunia untuk mengungkapkan struktur dari sejumlah besar protein kompleks yang penting bagi fotosintesis.

Fotosintesis adalah proses dimana tanaman mengkonversi sinar matahari menjadi energi sel.

Temuan yang diterbitkan dalam jurnal Nature ini, memungkinkan para ilmuwan untuk mengeksplorasi untuk pertama kalinya bagaimana protein kompleks berfungsi. Selain itu dapat juga memiliki implikasi terhadap produksi berbagai bioproduk, termasuk alternatif plastik dan biofuel.

“Pekerjaan ini akan mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana fotosintesis terjadi. Dan dapat memungkinkan bagi kita untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis pada tanaman dan organisme hijau lainnya. Dengan kata lain, berpotensi meningkatkan jumlah makanan, dan dengan demikian menghasilkan biomassa,” ungkap pemimpin penelitian, Karen Davies, seorang ahli biofisika di Berkeley Lab.

“Ini sangat penting jika Anda ingin menghasilkan bioproduk terbarukan yang merupakan alternatif hemat biaya untuk produk berbasis minyak bumi saat ini.”

Ditemukan beberapa dekade yang lalu, kompleks protein yang ditargetkan oleh para peneliti ini disebut NADH dehydrogenase-like complex (NDH), dikenal untuk membantu mengatur fase fotosintesis di mana energi sinar matahari ditangkap dan disimpan dalam dua jenis molekul energi seluler, yang kemudian digunakan untuk mengkonversi karbon dioksida menjadi gula.

Penyelidikan sebelumnya mengungkapkan bahwa NDH merombak elektron berenergi yang bergerak di antara kompleks protein lain di kloroplas dengan cara yang memastikan rasio yang tepat dari setiap molekul energi yang dihasilkan.

Selanjutnya, NDH dari cyanobacteria melakukan beberapa peran tambahan termasuk meningkatkan jumlah karbon dioksida (CO2) yang tersedia untuk produksi gula dengan menghubungkan penyerapan CO2 dengan transfer elektron.

Agar para ilmuwan benar-benar memahami bagaimana NDH menjalankan fungsi-fungsi penting ini, mereka membutuhkan cetak biru molekuler yang menunjukkan lokasi dan konektivitas semua atom di kompleks.

Ini adalah sesuatu yang bahkan oleh teknologi mikroskop elektron transmisi (TEM) yang sangat kuat sekalipun tidak dapat menyediakannya sampai saat ini.

“Penelitian tentang enzim ini sulit dan hasil percobaan membingungkan selama lebih dari 20 tahun terakhir karena kita tidak memiliki informasi lengkap tentang struktur enzim,” ujar Davies.

“Mengetahui struktur itu penting untuk menghasilkan dan menguji hipotesis tentang bagaimana fungsi enzim. Resolusi yang kami peroleh untuk struktur NDH hanya benar-benar dapat dicapai sejak komersialisasi kamera penghitungan elektron secara langsung, yang dikembangkan atas kerja sama dengan Berkeley Lab.”

Sebelum penemuan ini, dijelaskan Davies, staf ilmuwan di Berkeley Lab’s Biophysics Division dan Integrative Bioimaging Division (MBIB), menentukan struktur molekul tunggal dapat memakan waktu beberapa tahun karena pencitraan cryo-TEM mengandalkan film, yang berarti bahwa setiap paparan harus dikembangkan dan dipindai sebelum dapat dianalisis.

Keterbatasan utama, bagaimanapun juga, adalah bahwa sebagian besar gambar ternyata buram.

Ketika Anda mengarahkan seberkas elektron pada sebuah molekul, partikel bermuatan energi tinggi menggerakkan atom dalam molekul pada saat terpapar.

Ini berarti bahwa para peneliti perlu mengambil dan memproses ratusan bahkan ribuan gambar film untuk mendapatkan sekilas yang akurat dari seluruh molekul.

Kamera penghitung elektron yang baru tersebut menyelesaikan masalah ini dengan mengambil film digital dengan frame rate yang sangat tinggi, sehingga frame individual dapat disejajarkan untuk menghilangkan buram yang disebabkan oleh gerakan partikel yang diinduksi oleh sinar.

Dalam penelitian ini, penulis pertama Thomas Laughlin, seorang mahasiswa pascasarjana UC Berkeley dengan perjanjian bersama di MBIB, mengisolasi kompleks NDH dari membran cyanobacterium fotosintesis yang disediakan oleh Junko Yano dan Vittal Yachandra Lab di MBIB dan mencitrakan mereka menggunakan instrumen cryo-TEM art yang dilengkapi dengan detektor elektron secara langsung yang terbaru.

Peta kerapatan atom yang dihasilkan kemudian digunakan untuk membangun model NDH yang menunjukkan pengaturan semua subunit protein NDH dan posisi yang paling mungkin dari semua atom dalam protein kompleks.

Dengan memeriksa model ini, tim Davies akan dapat merumuskan dan kemudian menguji hipotesis tentang bagaimana NDH memfasilitasi produksi gula dengan menyeimbangkan rasio dua molekul energi seluler.

“Sementara struktur NDH saja tentu menjawab banyak pertanyaan, saya pikir itu telah menimbulkan beberapa pertanyaan lagi yang bahkan kami belum pernah mempertimbangkan sebelumnya,” kata Laughlin.

Di antara banyak ilmuwan Berkeley Lab yang berfokus pada memajukan pengetahuan tentang proses biokimia dan biofisik yang mendasar, Davies dan stafnya juga menggunakan kamera elektron langsung cryo-EM untuk menyelidiki bagaimana variasi dalam organisasi kompleks fotosintesis, yang disebabkan oleh perubahan dalam pertumbuhan dan kondisi cahaya, mempengaruhi efisiensi fotosintesis.

Proyeknya tentang aliran elektron dalam fotosintesis didukung oleh hibah DOE Office of Science Early Career Research Program selama lima tahun yang diberikan pada 2018.

Journal Reference:

  1. Thomas G. Laughlin, Andrew N. Bayne, Jean-François Trempe, David F. Savage, Karen M. Davies. Structure of the complex I-like molecule NDH of oxygenic photosynthesis. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-0921-0

Recent Posts

Obat Diabetes Ini Dapat Membalikkan Gagal Jantung

Para peneliti baru-baru ini menunjukkan bahwa obat diabetes empagliflozin dapat mengobati dan membalikkan perkembangan gagal jantung pada model hewan non-diabetes.… Read More

21 April 2019 19:30

Cara Kura-Kura Raksasa Menghadapi Perubahan Iklim

Kura-kura raksasa Galapagos, terkadang disebut Penjaga Kebun Galapagos, adalah makhluk kebiasaan. Di musim kemarau yang dingin, dataran tinggi lereng gunung… Read More

20 April 2019 19:36

Perkembangan Teknologi Pemungutan Suara di AS

Di Amerika Serikat, teknologi pemungutan suara berkembang dari awalnya menggunakan kertas suara yang dihitung manual, hingga menggunakan mesin pemilihan elektronik… Read More

19 April 2019 14:56

Perbedaan Quick Count, Exit Poll, dan Real Count

Pemilihan umum sudah selesai, muncul beberapa istilah yang sering kita dengar, seperti Quick Count, Exit Poll dan Real Count. Apa… Read More

18 April 2019 11:07

Cassini NASA Mengungkapkan Kejutan Danau Titan

Dalam perjalanan terakhir bulan terbesar Saturnus pada tahun 2017, pesawat ruang angkasa NASA Cassini mengumpulkan data radar yang mengungkapkan bahwa… Read More

17 April 2019 08:12

Benarkah Kemampuan Kognitif Dipengaruhi Gen?

Perbedaan individu dalam kemampuan kognitif pada anak-anak dan remaja sebagian tercermin dalam variasi dalam urutan DNA mereka, menurut sebuah penelitian… Read More

16 April 2019 20:42