Planten evolueerden in de loop van miljoenen jaren naar een omgeving die de laatste 150 jaar sinds het begin van de Industriële Revolutie drastisch is veranderd:het kooldioxidegehalte is met 50 procent gestegen, en de gemiddelde temperatuur op aarde is met bijna 2 graden Fahrenheit gestegen. Hoewel natuurlijke aanpassing het niet heeft kunnen bijhouden, wetenschappers hebben tools ontwikkeld om miljoenen jaren van evolutie in dagen te simuleren om planten te helpen zich aan te passen.

Uitgegeven door de Tijdschrift voor biologische chemie , onderzoekers rapporteren een nieuwe screeningstrategie die hen in staat stelde te identificeren, Voor de eerste keer, een veel efficiëntere vorm van het enzym Rubisco, die de eerste stap katalyseert van het vastleggen van koolstofdioxide op weg naar het creëren van plantaardige biomassa in fotosynthese.

"Hoewel het meest voorkomende en misschien wel het belangrijkste enzym in onze plant, Rubisco was misschien niet het mooiste moment van de evolutie. Rubisco evolueerde toen zuurstof afwezig was in de atmosfeer, en als een resultaat, het was niet gedwongen om te leren onderscheid te maken tussen levensondersteunende kooldioxidemoleculen en zuurstofmoleculen die een giftige verbinding creëren die de plant energie kost om te recyclen, " zei Don Ort, Adjunct-directeur van Realizing Verhoogde Fotosynthetische Efficiency (RIPE), die dit werk ondersteunden. Ort is een fysioloog bij de USDA/ARS Photosynthesis Research Unit en de Robert Emerson Professor of Plant Biology and Crop Sciences aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology aan de Universiteit van Illinois.

"We hebben laten zien dat we de efficiëntie van Rubisco kunnen verbeteren, zijn vermogen om koolstofdioxide te onderscheiden van zuurstof - dat is de echte buzz, " zei hoofdauteur Spencer Whitney, een universitair hoofddocent aan de Australian National University. “Onze Rubisco is sneller en heeft een hogere affiniteit voor kooldioxide. deze vaststelling duurde ongeveer twee weken, maar ons nieuwe screeningsysteem heeft die tijd meer dan gehalveerd."

Met behulp van gerichte evolutie, vaak beschreven als evolutie in een reageerbuis, het team testte 250, 000 mutant Rubiscos van cyanobacteriën in E coli bacteriën zo gemanipuleerd dat hun overleving afhangt van de efficiëntie van het enzym. "Antwoorden vinden om Rubisco te verbeteren is als zoeken naar een speld in een hooiberg, Whitney zei. "Het mooie van dit systeem is dat het ons in staat stelt om al die stukjes hooi kwijt te raken."

Achttien Rubisco-mutanten overleefden het scherm, waarvan er elf veel efficiënter bleken te zijn in het vastleggen van kooldioxide. Ze ontdekten dat deze mutaties gelokaliseerd zijn in een specifiek, voorheen onontgonnen gebied van cyanobacteriële Rubisco. Nu hopen ze soortgelijke aanpassingen door te voeren om Rubisco in gewassen te verbeteren en hun groei en opbrengst te verhogen.