Cercetătorii testează 15.000 de variante ale enzimei Rubisco pentru a îmbunătăți fotosinteza
Temperaturile tot mai ridicate și seceta prelungită scurtează sezonul de creștere al culturilor în multe regiuni ale lumii. În acest context, o echipă de cercetători din Suedia a raportat noi progrese în direcția ingineriei fotosintezei mai eficiente, o direcție care ar putea contribui, pe termen lung, la adaptarea culturilor la schimbările climatice.
Specialiștii de la Institutul Regal de Tehnologie KTH au creat și testat aproximativ 15.000 de versiuni modificate genetic ale Rubisco bacterian, enzima care ajută la transformarea dioxidului de carbon în material necesar pentru creștere. Paul Hudson, profesor de biologie a sistemelor la KTH, a explicat că studiul s-a concentrat asupra Rubisco de origine bacteriană, nu vegetală, și a urmărit identificarea variantelor care susțin creșterea bacteriilor.
Rezultatele, publicate în revista Science Advances, arată că cercetătorii au găsit mai multe variante promițătoare, dar au identificat și numeroase modificări care nu par să funcționeze.
O enzimă esențială, dar surprinzător de ineficientă
Rubisco este considerată una dintre cele mai importante enzime pentru viața pe Pământ. În bacterii și plante, rolul său merge mână în mână cu fotosinteza: lumina solară furnizează energia, iar Rubisco captează dioxidul de carbon și îl încorporează în materialul pe care organismul îl folosește pentru a produce zaharuri și pentru a crește.
Cu toate acestea, enzima este surprinzător de ineficientă. Acționează lent și uneori captează oxigen în loc de dioxid de carbon, ceea ce obligă plantele să consume energie pentru reciclarea produselor nedorite.
Deși studiul a vizat o enzimă bacteriană, nu cea vegetală, baza de date extinsă cu mutații reușite și nereușite oferă o posibilă hartă pentru proiectarea unor enzime mai bune. Aceste informații ar putea ajuta cercetătorii să îmbunătățească modelele computerizate privind modul în care Rubisco reacționează la modificările genetice. Lecțiile obținute ar putea ghida, în final, lucrul asupra Rubisco din plante, însă obținerea unor culturi cu creștere mai rapidă și rezistente la climă va necesita teste suplimentare în celule vegetale și în plante întregi.
Analiza a mii de variante bacteriene
Echipa a folosit o platformă de screening de înaltă capacitate special dezvoltată, în care fiecare variantă purta o etichetă ADN scurtă, ceea ce le-a permis să urmărească simultan eficiența a mii de variante candidate, inclusiv a celulelor cu mutații simple și combinate. Hudson a precizat că metoda de screening ar putea fi adaptată și pentru alte enzime metabolice.
Cercetarea s-a concentrat asupra Rubisco bacterian deoarece structura sa mai simplă facilitează producția și testarea la scară largă, permițând identificarea unor principii de inginerie care pot fi testate ulterior în enzime vegetale și în celule vegetale. De asemenea, potrivit lui Hudson, unele forme bacteriene de tip II ale Rubisco procesează dioxidul de carbon mai rapid decât enzima din plante.
„Dar catalizează mai ușor și reacția de oxigenare, ceea ce înseamnă că sunt mai puțin selective pentru dioxidul de carbon. Ideea noastră a fost să luăm aceste Rubisco rapide și să le facem chiar mai rapide sau, cel puțin, să le reducem rata de oxigenare păstrând în același timp o rată ridicată de carboxilare”, a explicat Hudson.
Variante promițătoare și compromisuri de inginerie
Două variante principale au reacționat mai puțin cu oxigenul, păstrând totodată o conversie utilă a dioxidului de carbon, deși ambele au prezentat compromisuri în ceea ce privește eficiența generală față de dioxidul de carbon. Mutațiile benefice au încetat adesea să funcționeze atunci când au fost combinate.
Cercetătorii au evaluat și mai multe modele computerizate concepute pentru a prezenta modul în care mutațiile afectează Rubisco. Modelele au fost mai fiabile pentru mutațiile simple decât pentru combinațiile de mutații.
„Acest lucru arată că efectele mutațiilor la Rubisco sunt complexe și greu de prezis fără o cantitate mare de date experimentale”, a spus Hudson.
Lucrările viitoare se vor concentra pe reducerea reacției cu oxigenul în variantele promițătoare și pe investigarea componentelor enzimei care o ajută să aleagă dioxidul de carbon în detrimentul oxigenului. Cercetătorii testează, de asemenea, enzime noi în celule vegetale și în cianobacterii care produc substanțe chimice utile.
