Chińscy naukowcy badają struktury roślin, aby zoptymalizować pracę chloroplastów, czyli zielonych elektrowni fotowoltaicznych

Współtwórcami artykułu „Cryo-EM structures of the plant plastid-encoded RNA polymerase” są Wu Xiaoxian (po lewej) i Mu Wenhui (po prawej), urodzone odpowiednio w roku 1990 i 1995. Główny autor artykułu, Zhang Yu (w środku), urodził się w roku 1980. Zdjęcie: www.thepaper.cn.

Badania związane z polimerazą RNA zdobyły dwie Nagrody Nobla, w 1959 i 2006 roku. W dniu 1 marca roku 2024 w międzynarodowym czasopiśmie naukowym “Cell” opublikowano dwie prace badawcze mające na celu zrozumienie ostatniego elementu tej układanki- aparatu do transkrypcji genów chloroplastów. Artykuł chińskich naukowców został wybrany jako najważniejszy i znalazł się na okładce. Opublikowane przez nich rysunki pokazują, że wspomniany aparat składa się z 20 części i 5 modułów funkcjonalnych. Dzięki pracy Chińskich badaczy dowiemy się, jak w przyszłości możemy zoptymalizować jego działanie, tym samym poprawiając wydajność fotosyntezy i obfitość plonów.  Artykuł jest wynikiem współpracy zespołu badawczego Yu Zhanga i zespołu badawczego Fei Zhou z Uniwersytetu Rolniczego Huazhong.
Badacz Zhang Yu powiedział, że trzy dziedziny biologii z dziewięciu w kategoriach polimerazy RNA przyciągnęły wiele uwagi, a polimeraza RNA chloroplastów jest ostatnim elementem układanki tej biologicznej tajemnicy. Badania nad strukturą i mechanizmem funkcjonalnym zostały opóźnione, a pełna struktura i mechanizm funkcjonalny nie zostały jeszcze zbadane. Polimeraza RNA chloroplastów jest najbardziej złożonym procesem transkrypcji genów znanym do tej pory. Od momentu podjęcia tego tematu w roku 2016 do artykułu na okładce czasopisma Cell”, laboratorium Zhang Yu znajdowało się w impasie przez osiem lat. Inspirujące jest, że filarem badań są bardzo młodzi ludzie.

Metoda badawcza i zespół.

Pierwotnie zamierzali oni wykorzystać metody inżynierii genetycznej do wydzielenia i oczyszczenia każdej jednostki białka in vitro, i ponownego jej złożenia. Chińczycy porwali się z motyką na słońce, bo nie dotarli nawet do tego etapu ponownego montażu i utknęli przy oczyszczaniu białek. Xiaoxian Wu, współautorka artykułu skomentowała porażkę: „To była dla nas ogromna przeszkoda". Chinka była jedną z pierwszych studentek studiów magisterskich w laboratorium Zhanga Yu i pozostała w grupie nawet po obronie doktoratu. Mu Wenhui, kolejna współautorka, jest studentką elitarnej klasy na Uniwersytecie w Henan. Po trzech latach studiów licencjackich przyszła do laboratorium Zhanga Yu, aby wziąć udział w badaniach naukowych. Uważa, że praca tutaj jest bardzo przyjemna.

Po natrafieniu na ścianę ominęli montaż i bezpośrednio wyodrębnili kompletne białko służące do transkrypcji genomu chloroplastów, a następnie wzięli je pod mikroskop elektronowy w celu zrobienia zdjęć. Przed ekstrakcją białka konieczne jest nałożenie markera o funkcji podobnej do haczyka na ryby na jego rdzeń, by następnie aparat móc wyłowić za pomocą odpowiedniej „wędki".

Naukowcy odkryli, że maszynerię służącą do transkrypcji genów chloroplastów, o masie cząsteczkowej około 1,1 miliona unitów, można podzielić na pięć modułów o różnych funkcjach: moduł katalityczny, moduł strukturalny, moduł ochronny, moduł RNA i moduł regulacyjny. Wśród nich moduł ochronny produkuje enzymy dysmutazy ponadtlenkowej SOD, które łagodzą uszkodzenia spowodowane przez nadmierną oksydację spowodowaną silnym naświetleniem i pomaga roślinom przystosować się do życia na lądzie. W procesie ewolucji odpowiedzialny był za wyjście życia z oceanu.

W swoich podziękowaniach Zhang Yu wspomniał o finansowaniu z programu Szanghajskiego Uniwersytetu Jiao Tong wspierającego badania podstawowe.
Zhang Yu powiedział o wciąż rosnącym znaczeniu nauki i technologii i że jego zdaniem finansowanie z programu jest wyjątkowe, innowacyjne i stabilne. Jeśli przystąpisz do projektu, to na corocznym sympozjum weryfikuje się postęp twoich badań. Jeśli badania okażą się istotne, to wypłacają Ci fundusze. Na początku nie oceniają projektu i stojących za nim wymagań, aby zachęcić więcej młodych osób do prowadzenia badań naukowych.

Na konferencji prasowej poświęconej wspomnianym wynikom badań, Han Bin, pracownik naukowy Chińskiej Akademii Nauk i dyrektor CAS Center for Excellence in Molecular Plant Science, powiedział, że: „podczas gdy rozwój młodych ludzi zależy od ich własnej wewnętrznej motywacji, my w centrum staramy się stworzyć do tego jak najwięcej możliwości. Jedną ze ścieżek obranych przez nasz instytut jest skupienie się na najnowocześniejszych badaniach nad makrocząsteczkami roślin. Zachęcamy studentów do powrotu do domu po Chińskim Nowym Roku, bo jako dyrektor, obawiam się, że bez was nasza kadra za bardzo się leni”
Han Bin powiedział również, że: „Należy zwrócić uwagę na tworzenie nowoczesnych instytucji badawczych, a badania podstawowe nie mogą być wykluczane. Potrzeba długoterminowych badań, ale także stabilnego dla nich wsparcia. Widziałem wiele przełomowych prac naukowych, ale bez finansowania i wsparcia, nie ma mowy o przekształceniu ich w przełomy technologiczne”.