Gambar menunjukkan model 3D resolusi tinggi dari PEP RNA polimerase tanaman, yang memainkan peran penting dalam fotosintesis. Kredit: Paula Favoretti Vital do Prado dan Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG
Para peneliti dari Hannover dan Göttingen telah berhasil menciptakan visualisasi tiga dimensi dari mesin fotokopi kloroplas.
Untuk kelangsungan hidup di Bumi, proses yang dilakukan tumbuhan fotosintesis untuk menghasilkan oksigen dan energi kimia menggunakan sinar matahari sangatlah penting. Para ilmuwan dari Göttingen dan Hannover kini telah mencapai terobosan dengan menciptakan visualisasi 3D resolusi tinggi dari mekanisme penyalinan kloroplas, yaitu RNA polimerase PEP, untuk pertama kalinya. Struktur rumit ini menawarkan perspektif baru mengenai cara kerja dan sejarah evolusi peralatan seluler penting ini, yang berperan penting dalam menafsirkan cetak biru genetik untuk protein yang terlibat dalam fotosintesis.
Tanpa fotosintesis, tidak akan ada udara untuk bernafas – ini adalah dasar dari semua kehidupan di Bumi. Proses kompleks ini memungkinkan tanaman mengubah karbon dioksida dan air menjadi energi kimia dan oksigen menggunakan energi cahaya matahari. Konversi terjadi di kloroplas, jantung fotosintesis. Kloroplas berkembang dalam perjalanan evolusi ketika nenek moyang sel tumbuhan masa kini menyerap cyanobacterium fotosintetik. Seiring waktu, bakteri menjadi semakin bergantung pada “sel inangnya”, namun tetap mempertahankan beberapa fungsi penting seperti fotosintesis dan bagian genom bakteri. Oleh karena itu, kloroplas masih memiliki kloroplasnya sendiri DNAyang berisi cetak biru protein penting dari “mesin fotosintesis”.
Dengan PEP menjadi energi
“Mesin penyalin molekul unik, RNA polimerase yang disebut PEP, membaca instruksi genetik dari materi genetik kloroplas,” jelas Prof. Hauke Hillen, pemimpin kelompok penelitian di Max Planck Institute (MPI) untuk Ilmu Multidisiplin, profesor di University Medical Center Göttingen dan anggota Cluster of Excellence Göttingen “Multiscale Bioimaging” (MBExC). Hal ini penting untuk mengaktifkan gen yang diperlukan untuk fotosintesis, Hillen menekankan. Tanpa PEP yang berfungsi, tumbuhan tidak dapat berfotosintesis dan tetap berwarna putih, bukannya berubah menjadi hijau.
Tidak hanya proses penyalinannya yang rumit, tetapi juga mesin penyalinnya sendiri: Mesin penyalinnya terdiri dari kompleks inti multi-subunit, yang bagian proteinnya dikodekan dalam genom kloroplas, dan setidaknya dua belas protein terkait, yang disebut PAP. Genom inti sel tumbuhan memberikan cetak biru untuk hal ini. “Sejauh ini, kami telah mampu mengkarakterisasi beberapa bagian mesin fotokopi kloroplas secara struktural dan biokimia, namun kami tidak memiliki wawasan yang tepat mengenai keseluruhan struktur dan fungsi masing-masing PAP,” kata Prof. Dr. Thomas Pfannschmidt, profesor di Institut Botani di Universitas Leibniz Hannover.
Cuplikan detail dalam 3D
Bekerja sama erat, para peneliti yang dipimpin oleh Hauke Hillen dan Thomas Pfannschmidt kini untuk pertama kalinya berhasil memvisualisasikan kompleks PEP 19 subunit dalam 3D pada resolusi 3,5 angstrom – 35 juta kali lebih kecil dari satu milimeter.
“Kami mengisolasi PEP utuh dari sawi putih, tanaman model khas dalam penelitian tanaman,” jelas Frederik Ahrens, anggota tim Pfannschmidt dan salah satu penulis pertama penelitian yang sekarang diterbitkan dalam jurnal tersebut. Sel Molekuler. Dengan menggunakan mikroskop krio-elektron, para ilmuwan kemudian membuat model 3D rinci dari 19 bagian kompleks PEP. Untuk itu, sampel dibekukan dengan sangat cepat. Para peneliti kemudian memotret mesin fotokopi tersebut ribuan kali hingga ke tingkat atom dari berbagai sudut dan menggabungkannya menjadi gambar keseluruhan menggunakan perhitungan komputer yang rumit.
“Gambaran struktural menunjukkan bahwa inti PEP mirip dengan inti RNA polimerase lainnya, seperti pada bakteri atau inti sel dari sel yang lebih tinggi. Namun, ia mengandung fitur spesifik kloroplas yang memediasi interaksi dengan PAP. Yang terakhir ini hanya kita temukan pada tumbuhan dan strukturnya unik,” jelas Paula Favoretti Vital do Prado, mahasiswa PhD di MPI, anggota Hertha Sponer College MBExC, dan juga penulis pertama studi tersebut. Para ilmuwan telah berasumsi bahwa PAP memenuhi fungsi individu dalam membaca gen fotosintesis. “Seperti yang dapat kami tunjukkan, protein mengatur dirinya sendiri dengan cara khusus di sekitar inti RNA polimerase. Berdasarkan strukturnya, kemungkinan besar PAP berinteraksi dengan kompleks inti dalam berbagai cara dan terlibat dalam proses pembacaan gen,” tambah Hillen.
Memahami evolusi fotosintesis
Kolaborasi penelitian ini juga menggunakan database untuk mencari petunjuk evolusi. Mereka ingin mengetahui apakah arsitektur mesin fotokopi yang diamati serupa di pabrik lain. “Hasil kami menunjukkan bahwa struktur kompleks PEP sama di semua tanaman darat,” kata Pfannschmidt. Temuan baru pada proses penyalinan DNA kloroplas membantu kita lebih memahami mekanisme dasar biogenesis mesin fotosintesis. Mereka mungkin juga bermanfaat untuk aplikasi bioteknologi di masa depan.
Referensi: “Struktur RNA polimerase kloroplas multi-subunit” oleh Paula FV do Prado, Frederik M. Ahrens, Monique Liebers, Noah Ditz, Hans-Peter Braun, Thomas Pfannschmidt dan Hauke S. Hillen, 29 Februari 2024, Sel Molekuler.
DOI: 10.1016/j.molcel.2024.02.003
Studi ini didanai oleh German Research Foundation (FOR2848, SFB1565, PF323-7 dan SPP 2237 MadLand (PF323-9)) dan dalam kerangka Excellence Strategy (EXC 2067/1 – 390729940) melalui Cluster of Excellence “Multiscale Bioimaging: Dari Mesin Molekuler ke Jaringan Sel yang Bersemangat” (MBExC) serta oleh Dewan Riset Eropa (ERC) dalam kerangka program EU Horizon 2020 dengan ERC Starting Grant MitoRNA (Perjanjian hibah no. 101116869).
