Alle planter og dyr respirerer og frigiver energi fra maden. På celleniveau sker denne proces i mitokondrierne. Men der er forskelle på molekylært niveau mellem, hvordan planter og dyr udvinder energi fra fødekilder. At opdage disse forskelle kan være med til at revolutionere landbruget.
"Planterespiration er en afgørende proces biologisk for vækst, for biomasseakkumulering," sagde Maria Maldonado, en postdoc-forsker i laboratoriet hos James Letts, assisterende professor ved Institut for Molekylær og Cellulær Biologi, College of Biological Sciences."Hvis du tænker på afgrøder, er omfanget af deres vækst relateret til biomasseakkumulering og samspillet mellem fotosyntese og respiration."
I en undersøgelse, der vises i eLife, giver Maldonado, Letts og kolleger den første nogensinde 3D-struktur på atomniveau af det største proteinkompleks (kompleks I), der er involveret i plantens mitokondrielle elektrontransportkæde.
"For pattedyr eller gær har vi strukturer med højere opløsning af hele elektrontransportkæden og endda superkomplekser, som er komplekser af komplekser, men for planter har det været en hel sort boks," sagde Maldonado. "Indtil i dag."
At finde ud af strukturen og funktionaliteten af disse planteproteinkomplekser kan hjælpe forskere med at forbedre landbruget og endda designe bedre pesticider.
"Masser af pesticider er faktisk rettet mod skadedyrets mitokondrielle elektrontransportkædekomplekser," sagde Letts."Så ved at forstå strukturerne af plantens komplekser, kan vi også designe bedre målrettede pesticider eller fungicider, der vil dræbe svampen, men ikke planten og ikke mennesket, der spiser planten."
Dyrkning af mungbønner i mørke
Til at lave deres mad bruger planter kloroplaster til at udføre fotosyntese. Men kloroplaster kan udgøre et problem for forskere, der studerer de molekylære detaljer i den mitokondrielle elektrontransportkæde.
"Planter har mitokondrier, og de har også kloroplaster, som gør planten grøn, men organellerne er meget ens i størrelse og har meget ens fysiske egenskaber," sagde Maldonado.
Disse ligheder gør det vanskeligt at isolere mitokondrier fra kloroplaster i laboratoriemiljøer. For at komme uden om dette brugte forskerne "etiolerede" mungbønner (Vigna radiata), hvilket betyder, at de dyrkede planterne i mørke, hvilket forhindrede kloroplaster i at udvikle sig og fik planterne til at se blegede ud.
"Mungbønner er et oliefrø, så de lagrer energi i form af frøolier, og så begynder spirerne at brænde disse olier som dets brændstof," sagde Letts. Uden kloroplaster er planterne ude af stand til at fotosyntetisere, hvilket begrænser deres energistrømme.
Ved at adskille mitokondrier fra kloroplaster fik forskerne et klarere strukturelt billede af kompleks I og dets subkomplekser.
"Vi brugte enkeltpartikel-kryoelektronmikroskopi til at løse kompleksernes struktur efter at have renset dem fra mitokondrielle prøver," sagde Letts.
Med disse strukturer kan videnskabsmænd se, på atomniveau, hvordan byggestensproteinerne i kompleks I er samlet, og hvordan disse strukturer og deres samling adskiller sig fra komplekserne i cellerne hos pattedyr, gær og bakterier.
"Vores struktur viser os for første gang detaljerne i et komplekst I-modul, der er unikt for planter," sagde forskerne."Vores eksperimenter gav os også hints om, at dette monteringsmellemprodukt måske ikke bare er et skridt hen imod det fuldt sammensatte komplekse I, men kan have en separat funktion for sig."
Forskerne spekulerede i, at komplekse I's unikke modulære struktur kan give planter fleksibiliteten til at trives som fastsiddende organismer.
"I modsætning til os sidder planterne fast i jorden, så de skal kunne tilpasses," sagde Letts. "Hvis noget ændrer sig, kan de ikke bare rejse sig og gå væk, som vi kan, så de har udviklet sig til at være ekstremt fleksible i deres stofskifte."
Med strukturen af komplekse I nu i hånden, planlægger forskerne at udføre funktionelle eksperimenter. Yderligere forståelse af komplekse I's funktionalitet kunne åbne døren til at gøre afgrødeplanter mere energieffektive.
