Hvordan bakterier bygger hypereffektive fotosyntesemaskiner

Forskere, der står over for en fremtid med en større befolkning og mere usikkert klima, leder efter måder at forbedre afgrødeudbyttet, og de leder efter fotosyntetiske bakterier til tekniske løsninger.

I Journal of Biological Chemistry , et canadisk forskerhold rapporterer om, hvordan cyanobakterier finesse et af de mest spildte trin i fotosyntesen. Undersøgelsen undersøgte samlingen af ​​carboxysomer, hvor bakterierne koncentrerer kuldioxid, øge effektiviteten af ​​et kritisk enzym kaldet RubisCO.

"I det væsentlige starter alt, hvad vi spiser med RubisCO, "sagde Matthew Kimber, professor ved University of Guelph i Ontario, Canada, og seniorforfatter på det seneste papir.

Enzymet, som er lavet af 16 proteinunderenheder, er afgørende for fotosyntesen. Brug energi hentet fra lys, det inkorporerer kuldioxid i organiske molekyler, hvorfra planten derefter bygger nyt sukker. Desværre, det er ikke særlig effektivt. Eller, fra Kimbers synspunkt, "RubisCO har en virkelig utaknemmelig opgave."

Enzymet udviklede sig i en gammel verden, hvor kuldioxid var almindeligt, og ilt var sjældent. Som resultat, det er ikke særlig kræsen ved at skelne mellem de to gasser. Nu hvor de atmosfæriske tabeller er vendt, RubisCO fanger ofte ved et uheld ilt, generere en ubrugelig forbindelse, som anlægget derefter skal investere ekstra energi for at genbruge.

Sammenlignet med planter, cyanobakterier laver meget få sådanne fejl. Dette skyldes, at bakterier indsamler deres RubisCO er i tætte kroppe kendt som carboxysomer. Bakterierne pumper bikarbonat (simpelthen hydreret CO2) ind i cellen; når det kommer ind i carboxysome, enzymer omdanner bikarbonatet til kuldioxid. Fordi kuldioxiden ikke kan undslippe gennem proteinskallen, der omgiver carboxysomet, det bygger op til høje koncentrationer, hjælpe RubisCO med at undgå dyre fejl.

Kimbers interesse for carboxysomes er hovedsageligt at forstå logikken i deres organisation. "De er faktisk fænomenalt indviklede maskiner, "forklarer han." Cyanobakteriet danner elleve eller så normalt proteiner, og disse organiserer sig på en eller anden måde i dette selvregulerende megakompleks, der kan overstige størrelsen på en lille celle. "

Et af carboxysomes mest imponerende tricks er selvsamling, som Kimbers laboratorium satte sig for at forstå. De så på et protein kaldet CcmM, som korrelerer RubisCO -enzymer til nye carboxysomer. De vidste, at en del af CcmM ligner meget en underenhed af RubisCO - så meget, faktisk, at forskere formoder, at gamle cyanobakterier oprindeligt skabte CcmM ved at duplikere et RubisCO -gen. De fleste forskere på området mente, at CcmM binder sig til enzymet ved at bruge denne underenheds plet. Men da Kimbers laboratorium tog et detaljeret kig på CcmM, ved hjælp af biofysiske teknikker til at observere proteinets struktur og binding, resultaterne viste, at modtaget visdom var forkert. Sand, CcmM lignede i form den lille RubisCO -underenhed. Men de komplekser, den dannede, omfattede stadig alle 8 små underenheder, hvilket betyder, at i stedet for at stjæle et sted fra en RubisCO -underenhed, CcmM måtte være bindende et helt andet sted.

"Dette er meget mærkeligt ud fra et biologisk perspektiv, fordi hvis CcmM opstod ved at duplikere den lille underenhed, det var næsten helt sikkert oprindeligt bundet på samme måde, "Sagde Kimber." På et tidspunkt, det må have udviklet sig til at foretrække et nyt bindingssted. "

Forskerne fandt også ud af, at en linker mellem bindingsdomæner i CcmM er kort nok til, at "i stedet for at ombryde RubisCO, den tinder (individuelle enzymer) sammen som perler på en snor. Med flere sådanne linkere, der hver tilfældigt binder hver RubisCO, det tværbinder alt til denne store glob; du vikler en skal rundt om den, og dette bliver så carboxysomet. "

Forskere ved et andet universitet rapporterede sidste efterår, at det var lykkedes dem at lave tobaksplanter med et afskåret karboxysom i deres kloroplaster. Disse planter voksede ikke særlig godt, og forfatterne konkluderede, at de havde taget for mange komponenter i carboxysomet væk; selvom det kunne bygges i kloroplasten, det var et træk på planterne i stedet for en hjælp. At have en bedre forståelse af, hvordan proteiner som CcmM bidrager til carboxysome konstruktion og funktion, kan hjælpe bioingeniører med at udnytte carboxysome effektivitet i den næste generation af konstruerede anlæg.