Os segredos da fotossíntese foram descobertos a nível atômico, lançando uma nova luz sobre esta superpotência vegetal que tornou a Terra mais verde há mais de mil milhões de anos.
Os pesquisadores do John Innes Center usaram um método de microscopia avançado chamado de ”crio-EM” para explorar como as proteínas fotossintéticas são produzidas.
O estudo, publicado na Cell, apresenta um modelo e recursos para estimular novas descobertas fundamentais neste campo e auxiliar objetivos de longo prazo de desenvolvimento de culturas mais resilientes.
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 a energia que as plantas necessitam para crescer. Esperamos que, ao compreender melhor este processo – ao nível molecular detalhado – possamos equipar os pesquisadores 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.
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. A primeira etapa na produção de proteínas é a transcrição, onde um gene é lido para produzir um “RNA mensageiro”. Este processo de transcrição é feito por uma enzima chamada RNA polimerase.
Foi descoberto há 50 anos que os cloroplastos contêm sua própria RNA polimerase. Desde então, os cientistas ficaram surpresos com a complexidade desta 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. 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 durante a transcrição permitiu aos pesquisadores começarem a explicar as funções desses componentes.
O modelo permitiu identificar uma proteína que interage com o DNA à medida que é transcrito e o guia até 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.” O primeiro autor conjunto, Dr. Ishika Pramanick, disse: “Houve muitos momentos surpreendentes nesta notável jornada de trabalho, começando com a purificação de proteínas muito desafiadora até a obtenção de imagens crio-EM impressionantes desta enorme proteína complexa e finalmente vendo 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.”
A estrutura da RNA polimerase codificada por plastídios da planta aparece em Cell.
