Spinat brugt i neutronundersøgelser kunne afsløre hemmeligheden bag stærkere plantevækst

Planter, alger, og andre organismer producerer RuBisCO-enzymet til at omdanne kuldioxid fra atmosfæren til energirige molekyler, som glukose, der danner kulhydrater og andre organiske kulstofforbindelser, der er nødvendige for livet på jorden.

Denne katalytiske proces kaldes "kulstoffiksering". En bedre forståelse af den specifikke aktivitet involveret, når RuBisCO kickstarter denne kemiske reaktion, kunne være medvirkende til at øge enzymets effektivitet og facilitere hurtigere plantevækst - et ønskeligt resultat, der kunne øge afgrødeudbyttet og samtidig bevare gødning og naturressourcer.

Til denne ende, forskere fra Uppsala University bruger neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at bestemme proteinstrukturen af ​​en RuBisCO -prøve hentet fra spinatblade.

"Vi håber at forstå kulstoffiksering i detaljer på atomniveau, som ville hjælpe os med at finde ud af præcis, hvad der sker med hvert kuldioxid-molekyle, som enzymet tager ud af atmosfæren og bringer ind i biosfæren, " sagde hovedefterforsker Marvin Seibert.

Under fiksering, organismer "fikserer" kulstof på plads ved at binde det til organiske molekyler.

På trods af at spille en så nøglerolle i denne proces, RuBisCO er usædvanlig langsom og ineffektiv. For at kompensere, planter er tvunget til at bruge en væsentlig del af deres værdifulde ressourcer til at producere store mængder af enzymet.

"En betydelig mængde af det nitrogen, som en plante har brug for til sin vækst, går til fremstilling af RuBisCO, som igen opsamler det kulstof, der er nødvendigt til fotosyntese, " sagde Seibert. "I øvrigt, meget af den gødning, vi putter i markerne, ender i planters indre proteiner for at bidrage til denne proces."

Fordi det er produceret som et svar på den konstante efterspørgsel efter kulstof, RuBisCO kan uden tvivl kategoriseres som et af de mest rigelige enzymer på planeten. Forskere vurderer, at på et tidspunkt, hvert kulstofatom i hver organisme har passeret gennem kulstoffiksering.

Hvis planter var i stand til at trives og fuldføre kulstoffiksering under mere effektive forhold, sådan en omkostningsbesparelse, miljøvenlige resultater kunne bidrage til overordnede forbedringer i den landbrugsmæssige og økonomiske værdi af vigtige afgrøder, der bruges til fødevarer, biobrændstoffer, og andre praktiske formål.

Selvom forskere tidligere har brugt røntgenteknikker til at studere RuBisCO, neutronspredningsmetoder har den klare fordel, at de er følsomme over for brint. Omkring halvdelen af ​​atomerne i biomolekyler er brintatomer, hvilket betyder, at evnen til at udpege deres placering og struktur er altafgørende for at karakterisere enzymets atomare struktur.

"Hvis vi kan producere en neutronkrystallografistruktur, hvor vi kan se hydrogenatomerne i RuBisCO aktive sted, vi burde være i stand til at undersøge enzymets katalytiske mekanisme og lære mere om omdannelsen af ​​kuldioxid til organiske kulstofforbindelser, " sagde Seibert.

Arbejder med ORNL-forsker Flora Meilleur, det svenske team forfølger dette mål på ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) ved hjælp af IMAGINE -instrumentet, HFIR strålelinje CG-4-D. De kører også komplementære eksperimenter ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) ved hjælp af MaNDi-instrumentet, SNS beamline 11B.

Tidligere har forskerne støttede sig på hypoteser og modeller for at undersøge RuBisCOs katalytiske aktivitet, men de forventer, at neutronspredningsforskningen vil give et mere konkret grundlag at bygge fremtidige studier på.

"Vi fik resultater i de første fem minutter, og at se succes, der hurtigt er meget usædvanlig, "Seibert sagde." Kombinationen af ​​god instrumentering og vidunderlige mennesker her gør dette eksperiment muligt. "