Hoe komen levende wezens aan hun voedsel?

Als je aan eten denkt, bedenk je dan meestal afbeeldingen van je favoriete eten? Dit is een natuurlijk proces, aangezien voedsel belangrijk is voor elk levend wezen. Om in deze basisbehoefte te voorzien, maken alle levende wezens hun eigen voedsel of halen het uit een andere bron. Mensen kunnen zowel planten als dieren eten. Sommige dieren consumeren andere dieren, terwijl sommige dieren planten als voedsel eten. Uiteindelijk zien we dat iedereen op deze planeet voor hun voedsel afhankelijk is van planten. Maar wat eten planten dan? In feite ‘eten’ planten zonlicht en een gas genaamd kooldioxide, die beide gemakkelijk hier op aarde verkrijgbaar zijn. Het proces waarbij landplanten hun eigen voedsel produceren met behulp van zonlicht en kooldioxide staat bekend als fotosynthese (Figuur 1). kooldioxide wordt opgenomen door de bladeren, het zonlicht wordt opgevangen door een chemisch molecuul in de plant, chlorofyl (Chl) genaamd. Alle fotosynthetische organismen bevatten Chl.

De manier waarop landplanten fotosynthese uitvoeren, helpt echter niet de organismen die in de oceanen leven, die bijna 70% van onze aarde bedekken. Planten in de oceanen hebben problemen met h lichte beschikbaarheid. De blauwe en groene delen van licht dringen meer in het water dan de gele en rode delen van licht (Figuur 2). Gelukkig krijgen oceaanplanten hulp bij het produceren van voedsel uit zo weinig licht en koolstofdioxide, van minuscule microscopisch kleine microben die cyanobacteriën worden genoemd (ook bekend als blauwgroene algen). Deze microben hebben zich aangepast aan zwakke lichtomstandigheden, en ze voeren fotosynthese uit voor zichzelf en voor andere levende wezens. Cyanobacteriën zijn oeroude microben die al miljarden jaren op onze aarde leven. Cyanobacteriën zouden verantwoordelijk zijn voor het creëren van de met zuurstof gevulde atmosfeer waarin we leven. Voor het uitvoeren van fotosynthese bij weinig licht hebben cyanobacteriën de hulp van eiwitten die phycobiliproteïnen worden genoemd, die worden aangetroffen in de celmembranen (de buitenste laag) van de cyanobacteriën.

Wat zijn fycobiliproteïnen?

Fycobiliproteïnen spelen de rol van assistenten van Chl in aquatische (water) omgevingen. Omdat licht het moeilijk heeft om door te dringen in de oceanen, maken phycobiliproteïnen dit werk gemakkelijker door het beschikbare licht te absorberen; ze absorberen het groene deel van het licht en veranderen het in rood licht, de kleur van het licht die Chl. Het veranderen van de kleur van licht is echter niet zo eenvoudig als het lijkt. Het groene licht moet door verschillende phycobiliproteïne-moleculen gaan, die licht van de ene kleur absorberen en licht van een andere kleur verspreiden. De kleur die wordt afgegeven, wordt vervolgens opgenomen door een tweede phycobiliproteïne, die er een derde kleur van maakt.Dit proces gaat door totdat het uitgestraalde licht rood is, dat uiteindelijk kan worden opgenomen door Chl. Om dit hele proces te laten plaatsvinden, hebben we drie verschillende soorten fycobiliproteïnemoleculen gerangschikt als een soort hoed over het Chl-molecuul, zoals je kunt zien in Figuur 3. Deze drie soorten fycobiliproteïnen zijn:

• (a) C-phycoerythrin (CPE), rozerood van kleur en verantwoordelijk voor het absorberen van het groene deel van zonlicht.

• (b) C-fycocyanine (CPC), diepblauw van kleur en verantwoordelijk voor het absorberen van het oranjerode deel van zonlicht.

• (c) Allofycocyanine (APC ), lichtblauw van kleur en verantwoordelijk voor het absorberen van het rode deel van zonlicht.

De reden dat fycobiliproteïnen licht van verschillende kleuren absorberen, is dat ze chemische moleculen bevatten, bilins genaamd, die ze hun heldere kleuren geven. Deze bilins zijn verantwoordelijk voor het absorberen van licht van de ene kleur en het uitzenden van licht van een andere kleur, waardoor de kleur van het licht verandert. Met geavanceerde instrumenten hebben we de rangschikking van deze moleculen en eiwitten in de cyanobacteriën kunnen analyseren. We weten dat fycobiliproteïnen de vorm hebben van schijven, en de schijven zijn op elkaar gestapeld om de hoedachtige structuur te vormen. Het ene uiteinde van de stapel is gemaakt van CPE, terwijl het andere uiteinde is gemaakt van CPC. Dit geheel sluit aan op de kern, gemaakt van APC. Deze hele structuur is gekoppeld aan Chl, dat het rode licht van APC accepteert. De opstelling van de hoedachtige structuur is weergegeven in figuur 3.

Hoe vindt de overdracht van lichtenergie plaats in fycobiliproteïnen?

De verandering in lichtkleur van groen naar rood duurt plaats via een proces dat bekend staat als fluorescentie. Laten we eens kijken wat fluorescentie is. Stel je een doorzichtige container voor gevuld met een roze vloeistof die, wanneer verlicht met een zaklamp, fel oranje schijnt! Dat is precies wat CPE doet (Figuur 4). Alle phycobiliproteïnen bezitten de opwindende eigenschap dat ze zichtbaar licht afgeven met een kleur die verschilt van de kleur van het licht dat erop wordt geschenen. Nadat CPE groen licht verandert in geeloranje, neemt CPC het geeloranje licht op en verandert het in lichtrood. APC neemt dit lichtrode licht op en verandert het in een dieprood licht voor Chl. Dus nu hebben we het groene licht veranderd in rood, wat de kleur is van het licht dat de natuur Chl wilde absorberen. Het hele proces is een soort estafette, waarbij elke deelnemer verder gaat waar de vorige was gebleven (Figuur 5). Deze fycobiliproteïnen vormen een belangrijk onderdeel van de minuscule microscopisch kleine organismen, cyanobacteriën genaamd, die op vrijwel dezelfde manier fotosynthese uitvoeren als landplanten. Het enige verschil is dat ze een andere set chemische moleculen gebruiken: cyanobacteriën gebruiken fycobiliproteïnen, terwijl landplanten Chl gebruiken.

Wat hebben we geleerd?

We weten nu dus dat fotosynthese het proces is waarbij planten hun voedsel produceren met behulp van Chl. We weten ook dat de verminderde hoeveelheid licht die beschikbaar is in de oceanen dit fotosyntheseproces vermindert. De natuur heeft een aantal chemische helpermoleculen ontwikkeld die bekend staan als fycobiliproteïnen, die de kleuren van het licht in de oceanen kunnen absorberen en dit licht in een kleur kunnen veranderen die Chl-moleculen kunnen gebruiken. Deze fycobiliproteïnen worden aangetroffen in kleine, met het blote oog onzichtbare cyanobacteriën, waarvan de fotosynthese verantwoordelijk is voor het leveren van voedsel aan de levende organismen in de oceanen en ook voor het maken van de zuurstof in onze atmosfeer die we elke seconde inademen.Is het niet opwindend dat deze kleine organismen zo’n verschil kunnen maken in het leven in zee? In de toekomst hopen we meer begrip te krijgen van de functies van fycobiliproteïnen en de rollen die ze kunnen spelen in het voordeel van de mensheid.

Woordenlijst

Fotosynthese: een proces waarbij planten produceren voedsel voor zichzelf en andere organismen met behulp van zonlicht en koolstofdioxidegas.

Chlorofyl: een chemisch molecuul dat in planten aanwezig is en het zonlicht absorbeert voor fotosynthese.

Phycobiliproteïnen: kleurpigmenten gevonden in cyanobacteriën en bepaalde andere organismen, die helpen bij fotosynthese door bepaalde kleuren licht te absorberen die chlorofyl niet kan absorberen.

Fluorescentie: de eigenschap van bepaalde verbindingen om de ene kleur licht te absorberen en een andere kleur af te geven. Phycobiliproteins gebruiken deze eigenschap om de kleur van het licht dat ze absorberen te veranderen, zodat het licht kan worden gebruikt voor fotosynthese.

Verklaring over belangenconflicten

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd in de afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Dankbetuigingen

Aan dit manuscript is registratienummer CSIR-CSMCRI – 114/2016 toegewezen. TG erkent dankbaar AcSIR voor Ph.D. inschrijving en CSIR (CSC 0105) voor financiële ondersteuning.