Planten, algen, en andere organismen produceren het RuBisCO-enzym om koolstofdioxide uit de atmosfeer om te zetten in energierijke moleculen, zoals glucose, die koolhydraten en andere organische koolstofverbindingen vormen die essentieel zijn voor het leven op aarde.

Dit katalytische proces wordt "koolstoffixatie" genoemd. Een beter begrip van de specifieke activiteit die betrokken is bij het op gang brengen van deze chemische reactie door RuBisCO kan een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van de efficiëntie van het enzym en het faciliteren van snellere plantengroei - een wenselijk resultaat dat de gewasopbrengst zou kunnen verhogen terwijl kunstmest en natuurlijke hulpbronnen worden bespaard.

Hiertoe, onderzoekers van de Universiteit van Uppsala gebruiken neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) om de eiwitstructuur te bepalen van een RuBisCO-monster dat is verkregen uit spinaziebladeren.

"We hopen koolstoffixatie in detail op atomair niveau te begrijpen, wat ons zou helpen erachter te komen wat er precies gebeurt met elk koolstofdioxidemolecuul dat het enzym uit de atmosfeer haalt en in de biosfeer brengt, ', zei hoofdonderzoeker Marvin Seibert.

Tijdens fixatie, organismen "fixeren" koolstof op zijn plaats door het te binden aan organische moleculen.

Ondanks dat het zo'n sleutelrol speelt in dit proces, RuBisCO is uitzonderlijk traag en inefficiënt. Compenseren, planten worden gedwongen een aanzienlijk deel van hun waardevolle hulpbronnen te besteden aan de productie van grote hoeveelheden van het enzym.

"Een aanzienlijk deel van de stikstof die een plant nodig heeft voor zijn groei gaat naar het maken van RuBisCO, die op zijn beurt de koolstof verzamelt die nodig is voor fotosynthese, "Zei Seibert. "Overigens, veel van de mest die we in de velden zetten, komt terecht in de innerlijke eiwitten van planten om bij te dragen aan dit proces."

Omdat het wordt geproduceerd als antwoord op de constante vraag naar koolstof, RuBisCO kan aantoonbaar worden gecategoriseerd als een van de meest voorkomende enzymen op de planeet. Wetenschappers schatten dat, op een gegeven moment, elk koolstofatoom in elk organisme is door koolstoffixatie gegaan.

Als planten in staat zouden zijn om te gedijen en koolstoffixatie te voltooien onder efficiëntere omstandigheden, een dergelijke kostenbesparende milieuvriendelijk resultaat zou kunnen bijdragen aan algemene verbeteringen in de landbouwkundige en economische waarde van belangrijke gewassen die voor voedsel worden gebruikt, biobrandstoffen, en andere praktische doeleinden.

Hoewel wetenschappers in het verleden röntgentechnieken hebben gebruikt om RuBisCO te bestuderen, neutronenverstrooiingsmethoden hebben het duidelijke voordeel dat ze gevoelig zijn voor waterstof. Ongeveer de helft van de atomen in biomoleculen zijn waterstofatomen, wat betekent dat het vermogen om hun locatie en structuur te bepalen van het grootste belang is voor het karakteriseren van de atomaire structuur van het enzym.

"Als we een neutronenkristallografiestructuur kunnen produceren waar we de waterstofatomen in de actieve plaats van RuBisCO kunnen zien, we zouden in staat moeten zijn om het katalytische mechanisme van het enzym te onderzoeken en meer te weten te komen over de omzetting van koolstofdioxide in organische koolstofverbindingen, ' zei Seibert.

In samenwerking met ORNL-wetenschapper Flora Meilleur, het Zweedse team streeft dit doel na in ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) met behulp van het IMAGINE-instrument, HFIR-bundellijn CG-4-D. Ze voeren ook aanvullende experimenten uit bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) met behulp van het MaNDi-instrument, SNS-bundellijn 11B.

Eerder, de onderzoekers vertrouwden op hypothesen en modellen om de katalytische activiteit van RuBisCO te onderzoeken, maar ze verwachten dat het onderzoek naar neutronenverstrooiing een meer concrete basis zal bieden waarop toekomstige studies kunnen worden gebouwd.

"We kregen resultaten in de eerste vijf minuten, en succes zien dat snel heel ongebruikelijk is, Seibert zei. "De combinatie van geweldige instrumenten en geweldige mensen hier maakt dit experiment mogelijk."