Tajná zásobárna dusíku pro řasy

Vědecký tým, jehož členkou byla i Jana Pilátová z katedry experimentální biologie rostlin PřF UK, odhalil ve fotosyntetických mikroskopických řasách velké množství guaninu v krystalické podobě, který mikroorganismy využívají jako záložní zdroj dusíku pro svůj růst. Přítomnost této látky ve vývojově nepříbuzných druzích mikrořas, potažmo i v jiných mikroorganismech, byla spektroskopicky potvrzena vůbec poprvé.

Studii publikoval minulý týden na svých webových stránkách prestižní americký časopis PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America).

Na výzkumu se kromě fyziků a biologů z Univerzity Karlovy podíleli také vědci z moskevské Lomonosovy státní univerzity, německého Forschungszentrum Jülich a australské Western Sydney University. Skupina zkoumala chemické složení krystalických struktur, které jsou přítomné v řadě mikroorganismů včetně tzv. zooxanthel, fotosyntetických řas žijících v symbióze s korály.

„Je paradoxem, že o existenci krystalických inkluzí uvnitř zooxanthel se ví asi 80 let, ale o jejich chemickém složení biologové dlouho jenom spekulovali. Teď jsme pomocí Ramanovy mikroskopie ukázali, že se jedná zejména o krystalický guanin, a v některých případech i o jiné puriny,“ přibližuje docent Peter Mojzeš z Fyzikálního ústavu UK, který je hlavním autorem studie.

Díky zmíněné mikrospektroskopické metodě vědci zjistili, že mnoho druhů mikrořas hromadí krystalický guanin ve velkém množství. Guanin je jednou z bází nukleových kyselin a je obsažen ve všech organismech včetně bakterií a virů. Kromě DNA a RNA se v organismech vyskytuje ve formě různých guanosin-fosfátů. Avšak krystalický guanin byl doposud známý jen ze živočišné říše. Mají ho například ryby ve svých šupinách a některá další zvířata v kůži nebo očích. Třeba chameleon dokáže s pomocí guaninových nanokrystalů měnit svou barvu.

V řasách funguje krystalický guanin jako jakási zásobárna dusíku, který organismus nezbytně potřebuje k tomu, aby mohl růst. Mikrořasy syntetizují guanin z různých dusíkatých látek přítomných v okolním prostředí a ten si posléze ukládají. Krystaly pak využívají jako zdroj dusíku, pokud jim v prostředí chybí. „Je to velice dynamická struktura, která se rychle vytvoří při dostatku externích zdrojů dusíku, a spotřebovává, pokud zdroje nejsou k dispozici, prostě taková velkozásobárna dusíku, o jejíž existenci neměli naši kolegové biologové dosud tušení,“ říká doc. Mojzeš.

Vědci předpokládají, že jejich výzkum přispěje k lepšímu pochopení toho, jak se mikrořasy vypořádávají s nedostatkem nebo naopak přebytkem dusíku v prostředí. Na těchto mikroorganismech je totiž závislá také existence korálů, jež s řasami žijí ve vzájemné symbióze. V současné době jsou korály silně ohrožovány nejen oteplováním moří, ale také splavováním umělých hnojiv, čímž dochází i k narušení křehké rovnováhy v recyklaci dusíku a soužití korálu s jeho symbionty.

Krystalický guanin v řasách má podle autorů studie pravděpodobně i další funkce, mimo jiné může být zodpovědný za fotonickou manipulaci světla, což vědci chtějí ověřit v dalším výzkumu. Podle nich je krystalický guanin evolučně prastarou multifunkční strukturou, kterou biologové dlouho přehlíželi zejména proto, že jim chyběla jednoduchá metoda pro jeho identifikaci a studium přímo v buňkách. Jak říká docent Mojzeš, touto metodou může být právě Ramanova mikroskopie.

V neposlední řadě tak studie dokazuje, jak prospěšná je spolupráce vědců z různých oborů. „Studium korálů a řas je samozřejmě doménou biologů, ale právě na našem výzkumu se ukazuje, jak užitečná může být spolupráce biologů s fyziky. Umožňuje netradiční přístup a aplikaci fyzikálních experimentálních metod, které naši kolegové dosud moc nevyužívali,“ dodává doc. Mojzeš.