Onderzoekers die een toekomst tegemoet gaan met een grotere populatie en een onzekerder klimaat, zoeken naar manieren om de gewasopbrengst te verbeteren, en ze zijn op zoek naar fotosynthetische bacteriën voor technische oplossingen.

In de Tijdschrift voor biologische chemie , een Canadees onderzoeksteam rapporteert over hoe cyanobacteriën een van de meest verspillende stappen in fotosynthese finesse. De studie onderzocht de assemblage van carboxysomen waarin de bacteriën koolstofdioxide concentreren, het verhogen van de efficiëntie van een kritisch enzym genaamd RubisCO.

"In wezen begint alles wat we eten met RubisCO, " zei Matthew Kimber, een professor aan de Universiteit van Guelph in Ontario, Canada, en senior auteur van de recente paper.

Het enzym, die is gemaakt van 16 eiwitsubeenheden, is essentieel voor fotosynthese. Met behulp van energie opgevangen uit licht, het neemt koolstofdioxide op in organische moleculen waaruit de plant vervolgens nieuwe suikers bouwt. Helaas, het is niet erg efficiënt. Of, vanuit het oogpunt van Kimber, "RubisCO heeft een echt ondankbare taak."

Het enzym evolueerde in een oude wereld waar koolstofdioxide gebruikelijk was en zuurstof zeldzaam. Als resultaat, het is niet erg kieskeurig bij het maken van onderscheid tussen de twee gassen. Nu de sfeertafels zijn omgedraaid, RubisCO vangt vaak per ongeluk zuurstof op, het genereren van een nutteloze verbinding die de plant vervolgens extra energie moet investeren om te recyclen.

Vergeleken met planten, cyanobacteriën maken zeer weinig van dergelijke fouten. Dit komt omdat bacteriën hun RubisCO verzamelen in dichte lichamen die bekend staan ​​​​als carboxysomen. De bacteriën pompen bicarbonaat (gewoon gehydrateerde CO2) de cel in; zodra het in het carboxysoom komt, enzymen zetten het bicarbonaat om in koolstofdioxide. Omdat de kooldioxide niet kan ontsnappen door de eiwitschil rond het carboxysoom, het bouwt op tot hoge concentraties, RubisCO helpen kostbare fouten te voorkomen.

Kimbers interesse in carboxysomen ligt vooral in het begrijpen van de logica van hun organisatie. "Het zijn eigenlijk fenomenaal ingewikkelde machines, " legt hij uit. "De cyanobacterie maakt een elftal normaal ogende eiwitten, en deze organiseren zich op de een of andere manier in dit zelfregulerende megacomplex dat de grootte van een kleine cel kan overschrijden."

Een van de meest indrukwekkende trucs van carboxysomen is zelfassemblage, die Kimber's lab wilde begrijpen. Ze keken naar een eiwit genaamd CcmM, die RubisCO-enzymen in nieuwe carboxysomen bijeendrijft. Ze wisten dat een deel van CcmM veel lijkt op een subeenheid van RubisCO - zozeer zelfs, in feite, dat onderzoekers vermoeden dat oude cyanobacteriën oorspronkelijk CcmM hebben gecreëerd door een RubisCO-gen te dupliceren. De meeste wetenschappers in het veld geloofden dat CcmM zich aan het enzym bindt door de plek van die subeenheid toe te eigenen. Maar toen Kimbers lab CcmM in detail onder de loep nam, met behulp van biofysische technieken om de structuur en binding van het eiwit te observeren, de resultaten toonden aan dat ontvangen wijsheid verkeerd was. Waar, CcmM was qua vorm vergelijkbaar met de kleine RubisCO-subeenheid. Maar de complexen die het vormde, omvatten nog steeds alle 8 kleine subeenheden, wat betekent dat in plaats van een plek te stelen van een RubisCO-subeenheid, CcmM moest ergens anders bindend zijn.

"Dit is heel vreemd vanuit een biologisch perspectief, want als CcmM ontstond door de kleine subeenheid te dupliceren, het vrijwel zeker oorspronkelijk op dezelfde manier gebonden, ' zei Kimber. 'Op een gegeven moment, het moet zijn geëvolueerd om de voorkeur te geven aan een nieuwe bindingsplaats."

De onderzoekers ontdekten ook dat een linker tussen bindende domeinen in CcmM kort genoeg is om "in plaats van rond RubisCO te wikkelen, het bindt (individuele enzymen) aan elkaar als kralen aan een touwtje. Met verschillende van dergelijke linkers die willekeurig aan elke RubisCO binden, het verknoopt alles in deze grote klodder; je wikkelt er een schelp omheen, en dit wordt dan het carboxysoom."

Wetenschappers van een andere universiteit meldden afgelopen najaar dat ze erin waren geslaagd tabaksplanten te maken met een uitgeklede carboxysoom in hun chloroplasten. Die planten groeiden niet bijzonder goed, en de auteurs concludeerden dat ze te veel componenten van het carboxysoom hadden weggenomen; hoewel het in de chloroplast kan worden ingebouwd, het was een belemmering voor de planten in plaats van een hulp. Een beter begrip van hoe eiwitten zoals CcmM bijdragen aan de constructie en functie van carboxysoom, zou bio-ingenieurs kunnen helpen om de efficiëntie van carboxysoom te benutten in de volgende generatie gemanipuleerde planten.