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

Cara Mengusir Tikus dengan Bahan Alami

Tikus berseliweran di rumah Anda? Bingung bagaimana cara mengusir tikus yang ampuh dan mencegah tikus datang kembali? Jangan khawatir, kali… Read More

1 week ago

10 Cara Mengusir Lalat dan Mencegahnya Datang Kembali

Anda merasa terganggu dengan keberadaan lalat di rumah Anda? Jangan khawatir, kali ini Sains Terkini akan membagikan cara mengusir lalat… Read More

1 week ago

Cara Mengusir Semut di Rumah (100% Ampuh)

Terdapat berbagai macam cara mengusir semut yang bisa kita lakukan di rumah. Sebagaimana yang kita ketahui bersama bahwa keberadaan semut… Read More

2 months ago

Cegah Tekanan Darah Tinggi, Hindari Asap Rokok!

Jika ruangan atau mobil berasap, menjauhlah sampai bersih. Itulah pesan utama penelitian yang dipresentasikan hari ini pada EuroHeartCare 2019, sebuah… Read More

2 months ago

Model Rantai Markov untuk Pencarian Pesawat MH370

Upaya terbaru menggabungkan data satelit dengan model matematika rantai Markov untuk mencari pesawat MH370, dapat memberikan kemajuan dalam upaya mencari… Read More

3 months ago

24 Obat Sakit Gigi Tradisional Praktis

Apakah Anda pernah mengalami sakit gigi? Atau mungkin Anda sekarang sedang sakit gigi? Tenang, beberapa obat sakit gigi berikut dikenal… Read More

3 months ago