Fotorespiratie is een zeer energieverslindend proces in planten dat leidt tot het vrijkomen van eerder vastgelegde CO ₂ . Dus, engineering van dit metabolische proces is een belangrijke benadering voor het verbeteren van de gewasopbrengst en voor het aangaan van de uitdaging van de steeds stijgende CO ₂ niveaus in de atmosfeer. Onderzoekers onder leiding van Tobias Erb van het Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg, Duitsland, zijn er nu in geslaagd het TaCo-pad te ontwikkelen, een synthetische fotorespiratoire bypass. Deze nieuwe metabolische verbinding opent nieuwe mogelijkheden voor CO ₂ fixatie en de productie van verbindingen met toegevoegde waarde.

Al het leven is afhankelijk van de fixatie van CO ₂ door planten. Echter, enzymatische efficiëntie van natuurlijke fotosynthese is beperkt, grens stellen aan landbouwproductiviteit en CO ₂ fixatie. Fotorespiratie is een ontgiftingsproces in planten dat een giftig bijproduct van fotosynthese recyclet, 2-fosfoglycolaat. Fotorespiratie is zeer energieverslindend en leidt tot het vrijkomen van eerder vastgelegde CO ₂ , waardoor de fotosynthetische balans verder wordt beperkt.

Onderzoekers onder leiding van Tobias Erb van het Max Planck Instituut voor terrestrische Microbiologie hebben een synthetische fotorespiratoire bypass ontwikkeld die een alternatief vormt voor natuurlijke fotorespiratie. In samenwerking met de groep van Arren Bar-Even (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm), en binnen het door de EU gefinancierde project Future Agriculture, het team heeft de zogenaamde tartronyl-CoA (TaCo)-route ontworpen die veel korter is dan natuurlijke fotorespiratie en die slechts 5 in plaats van 11 enzymen nodig heeft. Het misschien wel grootste voordeel van de TaCo-route is dat het CO . fixeert ₂ in plaats van het los te laten, zoals het gebeurt bij natuurlijke fotorespiratie. Als resultaat, de TaCo-route is energiezuiniger dan elke andere voorgestelde fotorespiratoire bypass tot nu toe.

Het bouwen van het TaCo-pad was een wetenschappelijke reis die de onderzoekers van een computationeel model naar enzymatische engineering heeft geleid, microfluïdische screening met hoge doorvoer, cryo-EM-technologie naar de succesvolle in vitro implementatie van een nieuw-naar-natuur metabolische verbinding die nieuwe mogelijkheden opent voor CO ₂ fixatie en de productie van verbindingen met toegevoegde waarde. "De belangrijkste uitdaging bij het realiseren van de TaCo-route was om alle benodigde enzymen te vinden, "Marieke Scheffen, Postdoctoraal onderzoeker in de groep van Tobias Erb en hoofdauteur van de studie, herinnert zich. "Het betekende dat we moesten zoeken naar enzymen die vergelijkbare reacties uitvoeren en ze vervolgens moesten 'leren' om de gewenste reactie uit te voeren."

Efficiëntere enzymen

Voor het TaCo-pad, aanvankelijk werd een handvol enzymen gevonden die de benodigde reacties konden katalyseren. Echter, ze vertoonden een lage katalytische efficiëntie, wat betekent dat ze vrij traag waren in vergelijking met natuurlijk voorkomende enzymen. De onderzoekers wilden vooral de prestaties van het belangrijkste enzym van de TaCo-route verbeteren, glycolyl-CoA-carboxylase (GCC), de katalysator die fotorespiratie koolstof positief maakt.

Als basis voor het maken van een synthetisch glycolyl-CoA-carboxylase (GCC) ontwikkelden de onderzoekers een moleculair model van het enzym. Er werden verschillende varianten van het enzym gemaakt op basis van een natuurlijk voorkomend propionyl-CoA-carboxylase, die gewoonlijk betrokken is bij het vetzuurmetabolisme, als een scaffold door aminozuurresiduen uit te wisselen. Deze rationele ontwerpstrategie leidde tot een 50-voudige verbetering van de katalytische efficiëntie van het enzym met glycolyl-CoA.

Om de prestaties van het enzym nog verder te verhogen, werkten de onderzoekers samen met de groep van Jean-Christophe Baret van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS, CRPP) Bordeaux, Frankrijk, met wie ze een microfluïdisch scherm met ultrahoge doorvoer ontwikkelden en duizenden synthetische varianten screenden. Binnen twee ronden van daaropvolgende microtiterplaatonderzoeken, er werd een enzymvariant ontdekt die een zelfs bijna 900-voudig verhoogde katalytische efficiëntie vertoonde met glycolyl-CoA. "Met deze katalytische efficiëntie, GCC ligt in het bereik van natuurlijk voorkomende biotine-afhankelijke carboxylasen. Dit betekent dat we een enzym konden ontwikkelen van bijna geen activiteit naar glycolyl-CoA tot zeer hoge activiteit, die vergelijkbaar is met natuurlijk ontwikkelde enzymen, " legt Marieke Scheffen uit.

Hoge resolutie elektronenmicroscopie

Het oplossen van de moleculaire structuur van deze nieuw ontwikkelde katalysator werd bereikt in weer een andere samenwerking, met Jan en Sandra Schuller van het Max Planck Instituut voor Biochemie, Martinsried (nu SYNMIKRO in Marburg). De onderzoekers pasten hypermoderne cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) toe met een atomaire resolutie van 1,96 Å, daarmee de grenzen van cryo-EM verleggen.

Eindelijk, het synthetische GCC-enzym bleek functioneel in in vitro experimenten in combinatie met de twee andere enzymen van de TaCo-route, waardoor een toepasbare koolstoffixatieroute wordt gevormd. "De TaCo-route is niet alleen een veelbelovend alternatief voor fotorespiratie", zegt Groepsleider Tobias Erb. "We kunnen ook laten zien dat het kan worden gekoppeld aan andere synthetische CO ₂ fixatie cycli, zoals de CETCH-cyclus. Nu kunnen we synthetische CO . efficiënt koppelen ₂ fixatie direct aan het centrale metabolisme."

Dit opent een scala aan wetenschappelijke mogelijkheden, bijvoorbeeld naar de recycling van polyethyleentereftalaat (PET). De TaCo-route zou kunnen worden gebruikt om ethyleenglycol (een monomeer van PET) direct om te zetten in glyceraat, waardoor het bruikbaar is voor de productie van biomassa of verbindingen met toegevoegde waarde. De volgende stap zal zijn om de in vivo implementatie te bevorderen, om het volledige potentieel van het nieuw ontwikkelde traject te benutten.