Forskere låser nøglen op til at avle kulstofslugende planter med stor appetit

Opdagelsen af, hvordan et kritisk enzym "skjult i naturens plan" virker, kaster nyt lys over, hvordan celler styrer nøgleprocesser i kulstoffiksering, en proces, der er fundamental for livet på Jorden.

Opdagelsen, gjort af forskere fra The Australian National University (ANU) og University of Newcastle (UoN), kan hjælpe med at konstruere klimabestandige afgrøder, der er i stand til at suge kuldioxid fra atmosfæren mere effektivt og hjælpe med at producere mere mad i processen.

Forskningen, offentliggjort i Science Advances , demonstrerer en hidtil ukendt funktion af et enzym kaldet carboxysomal carbonic anhydrase (CsoSCA), som findes i cyanobakterier – også kaldet blågrønalger – for at maksimere mikroorganismernes evne til at udvinde kuldioxid fra atmosfæren.

Cyanobakterier er almindeligt kendt for deres giftige opblomstringer i søer og floder. Men disse små blågrønne insekter er udbredte og lever også i verdenshavene.

Selvom de kan udgøre en miljørisiko, beskriver forskerne dem som "små kulstofsuperhelte." Gennem fotosynteseprocessen spiller de en vigtig rolle i at opfange omkring 12 % af verdens kuldioxid hvert år.

Førsteforfatter og ph.d. forsker Sacha Pulsford, fra ANU, beskriver, hvor bemærkelsesværdigt effektive disse mikroorganismer er til at opfange kulstof.

"I modsætning til planter har cyanobakterier et system kaldet en kuldioxidkoncentreringsmekanisme (CCM), som gør det muligt for dem at fiksere kulstof fra atmosfæren og omdanne det til sukker i en betydelig hurtigere hastighed end standardplanter og afgrødearter," sagde fru Pulsford.

I hjertet af CCM er store proteinrum kaldet carboxysomer. Disse strukturer er ansvarlige for sekvestrering af kuldioxid og huser CsoSCA og et andet enzym kaldet Rubisco. Enzymerne CsoSCA og Rubisco arbejder sammen og demonstrerer CCM'ens meget effektive natur. CsoSCA arbejder på at skabe en høj lokal koncentration af kuldioxid inde i carboxysomet, som Rubisco derefter kan opsluge og omdanne til sukker, som cellen kan spise.

Hovedforfatter Dr. Ben Long fra UoN sagde:"Indtil nu var videnskabsmænd usikre på, hvordan CsoSCA-enzymet kontrolleres. Vores undersøgelse fokuserede på at opklare dette mysterium, især i en større gruppe af cyanobakterier fundet over hele kloden. Det, vi fandt, var fuldstændig uventet .

"CsoSCA-enzymet danser til tonerne af et andet molekyle kaldet RuBP, som aktiverer det som en kontakt. Tænk på fotosyntese som at lave en sandwich. Kuldioxid fra luften er fyldet, men en fotosyntetisk celle skal sørge for brødet. Det er RuBP Ligesom du har brug for brød til at lave en sandwich, afhænger hastigheden af ​​at omdanne kuldioxid til sukker af, hvor hurtigt RuBP tilføres.

"Hvor hurtigt CsoSCA-enzymet leverer kuldioxid til Rubisco afhænger af, hvor meget RuBP der er til stede. Når der er nok, tændes enzymet. Men hvis cellen løber tør for RuBP, slukkes enzymet, hvilket gør systemet meget tunet og det er overraskende, at CsoSCA-enzymet har været indlejret i naturens plan hele tiden og venter på at blive opdaget."

Forskerne siger, at ingeniørafgrøder, der er mere effektive til at opsamle og udnytte kuldioxid, ville give et enormt løft for landbrugsindustrien ved at forbedre afgrødeudbyttet markant og samtidig reducere efterspørgslen efter kvælstofgødning og kunstvandingssystemer. Det ville også sikre, at verdens fødevaresystemer er mere modstandsdygtige over for klimaændringer.

Ms. Pulsford sagde:"At forstå, hvordan CCM virker, beriger ikke kun vores viden om naturlige processer, der er grundlæggende for Jordens biogeokemi, men kan også guide os i at skabe bæredygtige løsninger på nogle af de største miljømæssige udfordringer, verden står over for."

Flere oplysninger: Sacha Pulsford et al, Cyanobakteriel α-carboxysom kulsyreanhydrase er allosterisk reguleret af Rubisco-substratet RuBP, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk7283. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk7283

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Australian National University