Povećavanje učinkovitosti ključnog enzima u fotosintezi

Kemičari s MIT-a pokazali su da mogu znatno povećati učinkovitost bakterijske verzije rubisca, ključnog enzima u fotosintezi. Identificirali su mutacije koje bi mogle povećati njegovu katalitičku učinkovitost do 25 posto.

Tijekom fotosinteze, enzim rubisco katalizira ključnu reakciju - ugradnju ugljikovog dioksida u organske spojeve kako bi se stvorili šećeri. Međutim, rubisco, za koji se vjeruje da je najzastupljeniji enzim na Zemlji, vrlo je neučinkovit u usporedbi s drugim enzimima uključenim u fotosintezu.

Kemičari s MIT-a sada su pokazali da mogu uvelike poboljšati verziju rubisca koja se nalazi u bakterijama iz okruženja s niskim udjelom kisika. Koristeći proces poznat kao usmjerena evolucija, identificirali su mutacije koje bi mogle povećati katalitičku učinkovitost rubisca do 25 posto.

Istraživači sada planiraju primijeniti svoju tehniku ​​na oblike rubisca koji bi se mogli koristiti u biljkama kako bi se povećala stopa fotosinteze, što bi potencijalno moglo poboljšati prinose usjeva.

Kada biljke ili fotosintetske bakterije apsorbiraju energiju sunca, prvo je pretvaraju u molekule koje pohranjuju energiju, poput ATP-a. U sljedećoj fazi fotosinteze, stanice koriste tu energiju za transformaciju molekule poznate kao ribuloza bisfosfat u glukozu, što zahtijeva nekoliko dodatnih reakcija. Rubisco katalizira prvu od tih reakcija, poznatu kao karboksilacija. Tijekom te reakcije, ugljik iz CO2 se dodaje ribuloza bisfosfatu.

U usporedbi s drugim enzimima uključenim u fotosintezu, rubisco je vrlo spor, katalizirajući samo jednu do deset reakcija u sekundi. Osim toga, rubisco može reagirati i s kisikom, što dovodi do konkurentske reakcije koja uključuje kisik umjesto ugljika - proces koji rasipa dio energije apsorbirane iz sunčeve svjetlosti.

Za ovu studiju objavljenu u časopisu PNAS, istraživači su započeli s verzijom rubisca, izoliranom iz porodice poluanaerobnih bakterija poznatih kao Gallionellaceae, koja je jedna od najbržih rubisca pronađenih u prirodi. Tijekom eksperimenata usmjerene evolucije, koji su provedeni na E. coli, istraživači su držali mikrobe u okruženju s atmosferskim razinama kisika, stvarajući evolucijski pritisak da se prilagode kisiku.

Nakon šest krugova usmjerene evolucije, istraživači su identificirali tri različite mutacije koje su poboljšale otpornost rubisca na kisik. Svaka od ovih mutacija nalazi se u blizini aktivnog mjesta enzima (gdje provodi karboksilaciju ili oksigenaciju). Istraživači vjeruju da ove mutacije poboljšavaju sposobnost enzima da preferencijalno interagira s ugljikovim dioksidom u odnosu na kisik, što dovodi do ukupnog povećanja učinkovitosti karboksilacije.

U tekućem radu, istraživači primjenjuju ovaj pristup na druge oblike rubisca, uključujući rubisko iz biljaka. Vjeruje se da biljke gube oko 30 posto energije iz sunčeve svjetlosti koju apsorbiraju kroz proces koji se naziva fotorespiracija, a koji se događa kada rubisko djeluje na kisik umjesto ugljikovog dioksida.