Hacking evolution, screeningsteknik kan forbedre det mest udbredte enzym

Planter udviklede sig over millioner af år til et miljø, der har ændret sig dramatisk i de sidste 150 år siden den industrielle revolution begyndte:kuldioxidniveauerne er steget 50 procent, og den gennemsnitlige globale temperatur er steget med næsten 2 grader Fahrenheit. Selvom naturlig tilpasning ikke har kunnet følge med, forskere har udviklet værktøjer til at simulere millioner af år med evolution på dage for at hjælpe planterne med at tilpasse sig.

Udgivet af Journal of Biological Chemistry , forskere rapporterer om en ny screeningsstrategi, der satte dem i stand til at identificere, for første gang, en meget mere effektiv form af enzymet Rubisco, som katalyserer det første trin med fixering af kuldioxid på vej til at skabe plantebiomasse i fotosyntese.

"Selvom det er det mest rigelige og uden tvivl det vigtigste enzym på vores plante, Rubisco var måske ikke evolutionens fineste øjeblik. Rubisco udviklede sig, da ilt var fraværende i atmosfæren, og som følge heraf, det var ikke tvunget til at lære at skelne mellem livsnødvendige kuldioxidmolekyler og iltmolekyler, der skaber en giftig forbindelse, der koster plantens energi at genbruge, "sagde Don Ort, Vicedirektør for at realisere øget fotosyntetisk effektivitet (RIPE), som understøttede dette arbejde. Ort er fysiolog ved USDA/ARS Photosynthesis Research Unit og Robert Emerson professor i plantebiologi og plantevidenskab ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology ved University of Illinois.

"Vi har vist, at vi kan forbedre Rubiscos effektivitet, dens evne til at differentiere kuldioxid fra ilt - det er den virkelige sus, "sagde hovedforfatter Spencer Whitney, lektor ved Australian National University. "Vores Rubisco er hurtigere og har en højere affinitet til kuldioxid. Tidligere har denne beslutning tog omkring to uger, men vores nye screeningssystem reducerede den tid mere end til det halve. "

Ved hjælp af rettet evolution, ofte beskrevet som evolution i et reagensglas, holdet testede 250, 000 mutante Rubiscos fra cyanobakterier i E coli bakterier konstrueret, så deres overlevelse afhænger af enzymets effektivitet. "At finde svar på, hvordan man forbedrer Rubisco, er som at lede efter en nål i en høstak, "Whitney sagde." Det skønne ved dette system er, at det giver os mulighed for at slippe af med alle de høstykker. "

Atten Rubisco -mutanter overlevede skærmen, hvoraf elleve viste sig at være meget mere effektive til fastsættelse af kuldioxid. De fandt ud af, at disse mutationer er lokaliseret til en bestemt, tidligere uudforsket region af cyanobakteriel Rubisco. Nu håber de at lave lignende tweaks for at forbedre Rubisco i afgrøder og øge deres vækst og udbytte.