Naukowcy z MIT po prostu doładowali enzym, który napędza całą roślinność

Chemicy z MIT potwierdzili, że radykalnie zwiększą zdolność syntezy rubisco w mikroorganizmach w środowisku o niskiej zawartości tlenu. Stosując metodę powszechnie nazywaną ewolucją sterowaną, zidentyfikowali mutacje, które mogą zwiększyć wydajność katalityczną rubisco nawet o 25%.

Naukowcy planują teraz zastosować swoją metodologię do odmian rubisco, które prawdopodobnie znajdą zastosowanie w roślinach, aby zwiększyć koszty fotosyntezy, co może przełożyć się na wzrost plonów.

„Moim zdaniem jest to przekonujący dowód na to, że warto udoskonalić właściwości enzymatyczne rubisco, co daje ogromne nadzieje na wytworzenie kilku rodzajów rubisco” — mówi Matthew Shoulders, profesor chemii na MIT z rocznika 1942.

Shoulders i Robert Wilson, naukowiec zajmujący się analizą w Wydziale Chemii, są głównymi autorami nowego badania, którego wyniki ukażą się w tym tygodniu w czasopiśmie Materiały Narodowej Akademii NaukGłówną autorką artykułu jest Julie McDonald, studentka MIT.

Ewolucja efektywności

Kiedy rośliny lub mikroorganizmy fotosyntetyzujące absorbują energię ze światła słonecznego, najpierw przekształcają ją w cząsteczki magazynujące energię, takie jak ATP. W kolejnym etapie fotosyntezy komórki wykorzystują tę energię do przekształcenia cząsteczki, zwanej rybulozo-bisfosforanem, w glukozę, co wymaga wielu dalszych reakcji. Rubisco katalizuje pierwszą z tych reakcji, zwaną karboksylacją. W trakcie tej reakcji węgiel z CO2₂ jest dodawany do rybulozo-bisfosforanu.

W porównaniu z innymi enzymami biorącymi udział w fotosyntezie, rubisco może być również bardzo powolny, katalizując zaledwie od jednej do dziesięciu reakcji na sekundę. Co więcej, rubisco może również współdziałać z tlenem, prowadząc do konkurencyjnej reakcji, w której tlen jest zastępowany węglem – procesu, który marnuje znaczną część energii pobieranej ze światła słonecznego.

„Dla inżynierów białek może to być niezwykle interesujący zestaw zagadnień, ponieważ cechy te wydają się być zagadnieniami, które można poprawić, wprowadzając zmiany w sekwencji aminokwasów enzymu” – mówi McDonald.

Wcześniejsze badania doprowadziły do poprawy stabilności i rozpuszczalności rubisco, co przełożyło się na niewielkie korzyści w zakresie efektywności enzymu. Większość tych analiz wykorzystywała ukierunkowaną ewolucję – technikę, w której naturalnie występujące białko jest losowo mutowane, a następnie badane pod kątem pojawienia się nowych, interesujących alternatyw.

Ten proces jest często przeprowadzany z wykorzystaniem podatnej na błędy reakcji PCR, techniki, która najpierw generuje mutacje in vitro (na zewnątrz komórki), często wprowadzając tylko jedną lub dwie mutacje w obrębie genu docelowego. We wcześniejszych badaniach nad Rubisco, ta biblioteka mutacji została następnie wprowadzona do mikroorganizmów, które rozwijały się z szybkością porównywalną z tą z wykorzystaniem Rubisco. Ograniczenia w podatnej na błędy reakcji PCR i w zakresie skuteczności wprowadzania nowych genów ograniczają całkowitą liczbę mutacji, które można wygenerować i przebadać za pomocą tej techniki. Mutageneza danych i etapy selekcji dodatkowo wydłużają proces na przestrzeni wielu rund ewolucji.

Pracownicy MIT zastosowali zamiast tego nowocześniejszą metodę mutagenezy, opracowaną wcześniej przez Shoulders Lab, znaną jako MutaT7. Metoda ta pozwala badaczom na przeprowadzenie każdej mutagenezy i badań przesiewowych na żywych komórkach, co znacznie przyspiesza proces. Ich metoda pozwala im również na mutację genu docelowego z większą wartością.

„Nasza standardowa metodologia ukierunkowanej ewolucji pozwala na wypróbowanie znacznie większej liczby mutacji w obrębie enzymu niż miało to miejsce dotychczas” – mówi McDonald.

Zwiększony Rubisco

W ramach tego badania naukowcy rozpoczęli od manekina rubisco, wyizolowanego z rodziny półtlenowych mikroorganizmów, zwykle określanych jako Galionellowate, to prawdopodobnie jeden z najszybszych prądów Rubisco w przyrodzie. Dzięki eksperymentom ewolucji kierowanej, które przeprowadzono w… E. coliNaukowcy uratowali mikroby w środowisku o zawartości tlenu w atmosferze, tworząc w ten sposób presję ewolucyjną zmuszającą je do przystosowania się do tlenu.

Po sześciu rundach ukierunkowanej ewolucji naukowcy zidentyfikowali trzy całkowicie odmienne mutacje, które zwiększyły odporność rubisco na tlen. Każda z tych mutacji znajduje się w pobliżu aktywnego miejsca enzymu (miejsca, w którym przeprowadza karboksylację lub utlenianie). Naukowcy uważają, że mutacje te usprawniają mechanizm enzymu, który preferuje reakcję z dwutlenkiem węgla nad tlenem, co prowadzi do całkowitego wzrostu efektywności karboksylacji.

„Podstawowe pytanie brzmi: czy można zmienić i ulepszyć właściwości kinetyczne Rubisco, aby lepiej funkcjonowało w środowiskach, w których chcemy, aby działało lepiej?” – mówi Shoulders. „W procesie ukierunkowanej ewolucji zmieniło się to, że Rubisco zaczęło znacznie mniej reagować z tlenem. To pozwala temu Rubisco na prawidłowe funkcjonowanie w środowisku bogatym w tlen, gdzie zazwyczaj powinno się rozpraszać i reagować z tlenem, czego nie chcemy”.

W trwających badaniach naukowcy wykorzystują tę technikę do kilku gatunków rubisco, a także do rubisco z roślinności. Uważa się, że roślinność traci około 30% energii ze światła dziennego, które absorbuje, w procesie zwanym fotooddychaniem, które zachodzi, gdy rubisco oddziałuje na tlen zamiast na dwutlenek węgla.

„To naprawdę otwiera drzwi do wielu ekscytujących, nowych badań i stanowi krok naprzód w stosunku do technik inżynieryjnych, które wcześniej zdominowały inżynierię rubisco” – mówi Wilson. „Istnieją wyraźne korzyści dla wydajności rolnictwa, które prawdopodobnie zostałyby wykorzystane dzięki większemu rubisco”.

Ocena została częściowo sfinansowana przez Narodową Fundację Naukową, Narodowe Instytuty Zdrowia, grant Abdul Latif Jameel Water and Food Strategies Lab oraz stypendium Martin Family Society na rzecz zrównoważonego rozwoju.