Wetenschap
Wetenschappers ontsluiten de sleutel tot het kweken van koolstofverslindende planten met een grote eetlust
De ontdekking van hoe een cruciaal enzym “verborgen in de blauwdruk van de natuur” werkt, werpt nieuw licht op hoe cellen belangrijke processen in koolstoffixatie controleren, een proces dat fundamenteel is voor het leven op aarde.
De ontdekking, gedaan door wetenschappers van de Australian National University (ANU) en de University of Newcastle (UoN), zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van klimaatbestendige gewassen die efficiënter koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen zuigen, waardoor er meer voedsel kan worden geproduceerd.
Het onderzoek, gepubliceerd in Science Advances , demonstreert een voorheen onbekende functie van een enzym genaamd carboxysomal carbonic anhydrase (CsoSCA), dat wordt aangetroffen in cyanobacteriën (ook wel blauwgroene algen genoemd) om het vermogen van de micro-organismen om kooldioxide uit de atmosfeer te halen te maximaliseren.
Cyanobacteriën staan algemeen bekend om hun giftige bloei in meren en rivieren. Maar deze kleine blauwgroene beestjes zijn wijdverspreid en leven ook in de oceanen van de wereld.
Hoewel ze een gevaar voor het milieu kunnen vormen, omschrijven de onderzoekers ze als ‘kleine koolstof-superhelden’. Door het proces van fotosynthese spelen ze een belangrijke rol bij het opvangen van ongeveer 12% van de koolstofdioxide in de wereld per jaar.
Eerste auteur en Ph.D. onderzoeker Sacha Pulsford, van ANU, beschrijft hoe opmerkelijk efficiënt deze micro-organismen zijn in het vastleggen van koolstof.
"In tegenstelling tot planten hebben cyanobacteriën een systeem dat een kooldioxide-concentratiemechanisme (CCM) wordt genoemd, waarmee ze koolstof uit de atmosfeer kunnen vastleggen en deze aanzienlijk sneller in suikers kunnen omzetten dan standaardplanten en gewassoorten, " zei mevrouw Pulsford.
De kern van de CCM bestaat uit grote eiwitcompartimenten die carboxysomen worden genoemd. Deze structuren zijn verantwoordelijk voor het vastleggen van koolstofdioxide, waarin CsoSCA en een ander enzym genaamd Rubisco zijn ondergebracht. De enzymen CsoSCA en Rubisco werken samen, wat de zeer efficiënte aard van de CCM aantoont. De CsoSCA werkt om een hoge lokale concentratie koolstofdioxide in het carboxysoom te creëren, die Rubisco vervolgens kan opslokken en kan omzetten in suikers die de cel kan eten.
Hoofdauteur Dr. Ben Long van UoN zei:"Tot nu toe wisten wetenschappers niet zeker hoe het CsoSCA-enzym wordt gecontroleerd. Onze studie was gericht op het ontrafelen van dit mysterie, vooral in een grote groep cyanobacteriën die over de hele wereld worden aangetroffen. Wat we ontdekten was volkomen onverwacht .
“Het CsoSCA-enzym danst op de melodie van een ander molecuul genaamd RuBP, dat het activeert als een schakelaar. Denk aan fotosynthese als het maken van een boterham. Kooldioxide uit de lucht is de vulling, maar een fotosynthesecel moet voor het brood zorgen. Dat is RuBP Net zoals je brood nodig hebt om een boterham te maken, hangt de snelheid waarmee kooldioxide in suiker wordt omgezet af van hoe snel RuBP wordt geleverd.
.“Hoe snel het CsoSCA-enzym kooldioxide aan Rubisco levert, is afhankelijk van de hoeveelheid RuBP die aanwezig is. Als er genoeg is, wordt het enzym ingeschakeld. Maar als de cel geen RuBP meer heeft, wordt het enzym uitgeschakeld, waardoor het systeem goed is afgestemd en verrassend genoeg is het CsoSCA-enzym al die tijd ingebed in de blauwdruk van de natuur, wachtend om ontdekt te worden."
De wetenschappers zeggen dat het manipuleren van gewassen die efficiënter zijn in het opvangen en gebruiken van kooldioxide een enorme impuls zou geven aan de landbouwsector door de gewasopbrengst enorm te verbeteren en tegelijkertijd de vraag naar stikstofkunstmest en irrigatiesystemen te verminderen. Het zou er ook voor zorgen dat de voedselsystemen in de wereld veerkrachtiger zijn tegen de klimaatverandering.
Mevrouw Pulsford zei:"Inzicht in hoe de CCM werkt, verrijkt niet alleen onze kennis van natuurlijke processen die fundamenteel zijn voor de biogeochemie van de aarde, maar kan ons ook begeleiden bij het creëren van duurzame oplossingen voor enkele van de grootste milieu-uitdagingen waarmee de wereld wordt geconfronteerd."