Upptäckten av hur ett kritiskt enzym "gömt i naturens ritning" fungerar kastar nytt ljus över hur celler styr nyckelprocesser i kolfixering, en process som är grundläggande för livet på jorden.
Upptäckten, gjord av forskare från The Australian National University (ANU) och University of Newcastle (UoN), skulle kunna hjälpa till att utveckla klimattåliga grödor som kan suga koldioxid från atmosfären mer effektivt och hjälpa till att producera mer mat i processen.
Forskningen, publicerad i Science Advances , visar en tidigare okänd funktion av ett enzym som kallas karboxisomalt kolanhydras (CsoSCA), som finns i cyanobakterier – även kallade blågröna alger – för att maximera mikroorganismernas förmåga att extrahera koldioxid ur atmosfären.
Cyanobakterier är allmänt kända för sina giftiga blomningar i sjöar och floder. Men dessa små blågröna insekter är utbredda och lever också i världshaven.
Även om de kan utgöra en miljöfara, beskriver forskarna dem som "små kolsuperhjältar". Genom fotosyntesen spelar de en viktig roll för att fånga upp cirka 12 % av världens koldioxid varje år.
Förste författare och Ph.D. forskaren Sacha Pulsford, från ANU, beskriver hur anmärkningsvärt effektiva dessa mikroorganismer är på att fånga upp kol.
"Till skillnad från växter har cyanobakterier ett system som kallas en koldioxidkoncentreringsmekanism (CCM), som gör att de kan fixera kol från atmosfären och förvandla det till sockerarter i en betydligt snabbare takt än vanliga växter och grödor," sa Pulsford.
I hjärtat av CCM finns stora proteinfack som kallas karboxysomer. Dessa strukturer är ansvariga för att binda koldioxid, inhyser CsoSCA och ett annat enzym som kallas Rubisco. Enzymerna CsoSCA och Rubisco arbetar unisont, vilket visar CCM:s mycket effektiva natur. CsoSCA arbetar för att skapa en hög lokal koncentration av koldioxid inuti karboxisomen som Rubisco sedan kan sluka upp och förvandla till sockerarter för cellen att äta.
Huvudförfattaren Dr. Ben Long från UoN sa:"Fram till nu var forskare osäkra på hur CsoSCA-enzymet kontrolleras. Vår studie fokuserade på att reda ut detta mysterium, särskilt i en stor grupp av cyanobakterier som hittats över hela världen. Det vi hittade var helt oväntat .
"CsoSCA-enzymet dansar till tonerna av en annan molekyl som heter RuBP, som aktiverar den som en switch. Tänk på fotosyntes som att göra en smörgås. Koldioxid från luften är fyllningen, men en fotosyntetisk cell måste ge brödet. Det är RuBP Precis som du behöver bröd för att göra en smörgås beror hastigheten på att omvandla koldioxid till socker på hur snabbt RuBP tillförs.
"Hur snabbt CsoSCA-enzymet levererar koldioxid till Rubisco beror på hur mycket RuBP som finns. När det finns tillräckligt slås enzymet på. Men om cellen får slut på RuBP stängs enzymet av, vilket gör systemet mycket trimmat. och effektivt, CsoSCA-enzymet har hela tiden varit inbäddat i naturens plan och väntar på att bli upptäckt."
Forskarna säger att ingenjörsgrödor som är mer effektiva när det gäller att fånga och använda koldioxid skulle ge ett enormt uppsving för jordbruksindustrin genom att avsevärt förbättra skördarna samtidigt som efterfrågan på kvävegödselmedel och bevattningssystem minskar. Det skulle också säkerställa att världens livsmedelssystem är mer motståndskraftiga mot klimatförändringar.
Pulsford sa:"Att förstå hur CCM fungerar berikar inte bara vår kunskap om naturliga processer som är grundläggande för jordens biogeokemi utan kan också vägleda oss i att skapa hållbara lösningar på några av de största miljöutmaningarna som världen står inför."
Mer information: Sacha Pulsford et al, Cyanobakteriellt α-karboxisom kolanhydras regleras allosteriskt av Rubisco-substratet RuBP, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk7283. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk7283
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Australian National University
