Chemici z MIT zvyšují efektivitu klíčového enzymu fotosyntézy

Fotosyntéza je proces, při kterém rostliny a fotosyntetické bakterie přeměňují oxid uhličitý a sluneční energii na cukry. Klíčovou roli v tomto procesu hraje enzym rubisco, který katalyzuje první krok – začlenění oxidu uhličitého do organických sloučenin. Rubisco je považován za nejrozšířenější enzym na Zemi, ale jeho účinnost je v porovnání s jinými enzymy zapojenými do fotosyntézy poměrně nízká.

Chemici z MIT nyní ukázali, že mohou výrazně zvýšit efektivitu verze rubisco nalezené v bakteriích z prostředí s nízkým obsahem kyslíku. Pomocí metody řízené evoluce identifikovali mutace, které mohou zvýšit katalytickou účinnost rubisco až o 25 procent.

Výzkumníci nyní plánují aplikovat svou techniku na formy rubisco, které by mohly být použity v rostlinách k urychlení fotosyntézy, což by potenciálně mohlo vést k vyšším výnosům plodin.

„Myslím si, že jde o přesvědčivou ukázku úspěšného zlepšení enzymatických vlastností rubisco, která vzbuzuje velkou naději na inženýrství dalších forem tohoto enzymu,“ říká Matthew Shoulders, profesor chemie na MIT.

Shoulders a Robert Wilson, vědecký pracovník na katedře chemie, jsou hlavními autory nové studie, která vyšla tento týden v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. Hlavní autorkou článku je postgraduální studentka MIT Julie McDonald.

Evoluce účinnosti

Když rostliny nebo fotosyntetické bakterie absorbují energii ze slunce, nejprve ji přemění na molekuly ukládající energii, jako je ATP. V další fázi fotosyntézy buňky tuto energii využívají k přeměně molekuly zvané ribulosa-1,5-bisfosfát na glukózu, což vyžaduje několik dalších reakcí. Rubisco katalyzuje první z těchto reakcí, známou jako karboxylace. Během této reakce se uhlík z CO₂ přidává k ribulosa-1,5-bisfosfátu.

Ve srovnání s ostatními enzymy zapojenými do fotosyntézy je rubisco velmi pomalý, katalyzuje pouze jednu až deset reakcí za sekundu. Navíc rubisco může také interagovat s kyslíkem, což vede k konkurenční reakci, která začleňuje kyslík místo uhlíku – proces, který plýtvá částí energie absorbované ze slunečního světla.

„Pro inženýry proteinů je to skutečně atraktivní sada problémů, protože tyto vlastnosti vypadají jako věci, které by se daly zlepšit změnami v aminokyselinové sekvenci enzymu,“ říká McDonald.

Předchozí výzkum vedl ke zlepšení stability a rozpustnosti rubisco, což mělo za následek malé zlepšení účinnosti enzymu. Většina těchto studií použila řízené evoluce – techniku, při které se přirozeně se vyskytující protein náhodně mutuje a následně se sleduje vzniku nových, žádoucích vlastností.

Tento proces se obvykle provádí pomocí chybové PCR, techniky, která nejprve generuje mutace in vitro (mimo buňku), typicky zavádí pouze jednu nebo dvě mutace do cílového genu. V minulých studiích na rubisco byla tato knihovna mutací poté zavedena do bakterií, které rostou rychlostí úměrnou aktivitě rubisco. Omezení chybové PCR a účinnosti zavádění nových genů omezují celkový počet mutací, které lze touto metodou generovat a prověřovat. Manuální kroky mutageneze a výběru také přidávají na délce procesu v průběhu několika kol evoluce.

Tým z MIT místo toho použil novější techniku mutageneze, kterou dříve vyvinula Shouldersova laboratoř, nazvanou MutaT7. Tato technika umožňuje výzkumníkům provádět jak mutagenezi, tak screening v živých buňkách, což výrazně urychluje proces. Jejich technika také umožňuje mutovat cílový gen vyšší rychlostí.

„Naše metoda kontinuální řízené evoluce umožňuje zkoumat mnohem více mutací enzymu, než se dělalo v minulosti,“ říká McDonald.

Lepší rubisco

Pro tuto studii výzkumníci začali s verzí rubisco izolovanou z čeledi semianerobních bakterií známých jako Gallionellaceae, která je jedním z nejrychlejších rubisco v přírodě. Během experimentů s řízenou evolucí, které byly prováděny v E. coli, výzkumníci udržovali mikroby v prostředí s atmosférickou hladinou kyslíku, čímž vytvořili evoluční tlak k adaptaci na kyslík.

Po šesti kolech řízené evoluce výzkumníci identifikovali tři různé mutace, které zlepšily odolnost rubisco vůči kyslíku. Každá z těchto mutací se nachází v blízkosti aktivního místa enzymu (kde provádí karboxylace nebo oxygenaci). Výzkumníci se domnívají, že tyto mutace zlepšují schopnost enzymu upřednostňovat interakci s oxidem uhličitým před kyslíkem, což vede k celkovému zvýšení účinnosti karboxylace.

„Základní otázkou je: Lze změnit a zlepšit kinetické vlastnosti rubisco tak, aby fungovaly lépe v prostředích, kde chcete, aby lépe fungovaly?“ říká Shoulders. „To, co se změnilo řízeným evolučním procesem, bylo, že rubisco začalo méně reagovat s kyslíkem. To umožňuje tomuto rubisco fungovat dobře v prostředí bohatém na kyslík, kde by se normálně neustále rozptylovalo a reagovalo s kyslíkem, což nechcete.“

V probíhajícím výzkumu výzkumníci aplikují tento přístup na další formy rubisco, včetně rubisco z rostlin. Předpokládá se, že rostliny ztrácejí asi 30 procent energie ze slunečního světla, které absorbují procesem zvaným fotorespirace, ke kterému dochází, když rubisco působí na kyslík namísto oxidu uhličitého.

„To skutečně otevírá dveře mnoha vzrušujícím novým výzkumům a je to krok za typy inženýrství, které dominovaly inženýrství rubisco v minulosti,“ říká Wilson. „Existují jasné výhody pro zemědělskou produktivitu, které by se daly využít prostřednictvím zlepšeného rubisco.“

Výzkum byl částečně financován Národní vědeckou nadací, Národními instituty zdraví, grantem Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab Grand Challenge a stipendiem Martin Family Society Fellowship for Sustainability.