Fotosynthese is het proces dat ten grondslag ligt aan alle plantengroei. Wetenschappers willen de fotosynthese stimuleren om aan de toenemende wereldwijde vraag naar voedsel te voldoen door het belangrijkste enzym Rubisco te ontwikkelen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Biochemie zijn erin geslaagd om functionele plant Rubisco te produceren in een bacterie. Dit maakt genetische manipulatie van het enzym mogelijk. Het onderzoek zou op een dag kunnen leiden tot betere gewasopbrengsten en plantenrassen met een efficiënter watergebruik of een betere temperatuurbestendigheid. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap .

De wereldbevolking zal in 2050 naar verwachting de 9 miljard overschrijden. Met meer monden te voeden, er is een dringende behoefte aan een verbeterde voedselproductie. Om aan de wereldwijde vraag naar voedsel te voldoen, wetenschappers willen de efficiëntie van fotosynthese en daarmee de gewasproductiviteit verhogen.

Fotosynthese stimuleren

Fotosynthese is het fundamentele biologische proces dat ten grondslag ligt aan alle plantengroei en het leven op aarde ondersteunt. Planten gebruiken de energie van zonlicht om koolstofdioxide (CO2) en water om te zetten in suiker en zuurstof (O2). Het kritische enzym in dit proces is Rubisco. Rubisco katalyseert de eerste stap in de productie van koolhydraten in planten, de fixatie van CO2 uit de atmosfeer. Daarbij, planten gebruiken CO2 om biomassa op te bouwen en de benodigde energie voor groei te produceren. Echter, Rubisco is een inefficiënt enzym omdat het CO2 langzaam opneemt. Concurrerende reacties met O2 verslechteren de katalytische efficiëntie van Rubisco verder. Om deze redenen, Rubisco beperkt vaak de snelheid van fotosynthese en uiteindelijk plantengroei, waardoor Rubisco een populair doelwit is voor genetische manipulatie.

Engineering van fabriek Rubisco, en fotosynthese, zou worden versterkt door functionele expressie van het enzym in alternatieve gastheren. Tot dusver, echter, wetenschappers slaagden er niet in een enzymatisch actieve vorm van plant Rubisco in een bacteriële gastheer te produceren - een doel waar al tientallen jaren naar wordt gezocht. Een team onder leiding van Manajit Hayer-Hartl, hoofd van de onderzoeksgroep "Chaperonin-assisted Protein Folding", heeft nu de eisen in kaart gebracht om plant Rubisco in een bacterie tot expressie te brengen en samen te voegen. Hun bevindingen zullen naar verwachting de inspanningen om de fotosynthese te verbeteren door middel van Rubisco-engineering aanzienlijk versnellen.

De lopende band van Rubisco

Het Rubisco-enzym bestaat uit acht grote en acht kleine subeenheden. Eiwitvouwing van de grote subeenheden wordt ondersteund door specifieke chaperonines, macromoleculaire vouwende kooien, waarin de nieuw gesynthetiseerde eiwitten hun juiste functionele conformatie kunnen aannemen. Na het vouwen, meerdere aanvullende helper-eiwitten (begeleiders) helpen bij de juiste montage van de subeenheden in het grote enzymcomplex.

De onderzoekers genereerden functionele plant Rubisco in een bacteriële gastheer door gelijktijdig plantchaperones en Rubisco in dezelfde cellen tot expressie te brengen. Dit stelt de wetenschappers niet alleen in staat het complexe assemblagetraject van Rubisco te begrijpen, maar om het Rubisco-gen te modificeren om de eigenschappen van Rubisco te verbeteren. Zodra ze een Rubisco-variant met een gewenste eigenschap hebben verkregen, ze kunnen het gemodificeerde gen terug in de plantencellen inbrengen. Dit is een belangrijke stap in de richting van het verbeteren van de fotosynthese door middel van Rubisco-engineering. "Het bacteriële expressiesysteem lijkt op een assemblagelijn voor auto's. Terwijl voorheen elke geoptimaliseerde variant van Rubisco nauwgezet tot expressie moest worden gebracht in een transgene plant, die een jaar of langer duurt om te genereren - zoals het met de hand bouwen van een auto - kunnen we nu honderden of duizenden Rubisco-varianten maken in dagen of weken. Het is als het bouwen van auto's in een geautomatiseerde lopende band", legt Hayer-Hartl uit.

Superieure Rubisco-varianten

Genetische manipulatie vergemakkelijkt de inspanningen om Rubisco-varianten met verbeterde functionele eigenschappen te genereren. Dit zou niet alleen kunnen leiden tot de broodnodige verhoging van de gewasopbrengst, maar ook plantenrassen met een verhoogde efficiëntie van het watergebruik of een verhoogde temperatuurbestendigheid - eigenschappen die van bijzonder belang zijn in het licht van de opwarming van de aarde en de toenemende waterschaarste.