Växter, alger, och andra organismer producerar RuBisCO-enzymet för att omvandla koldioxid från atmosfären till energirika molekyler, som glukos, som bildar kolhydrater och andra organiska kolföreningar som är viktiga för livet på jorden.

Denna katalytiska process kallas "kolfixering". En bättre förståelse av den specifika aktivitet som ingår när RuBisCO sätter igång denna kemiska reaktion kan vara avgörande för att öka enzymets effektivitet och underlätta snabbare växttillväxt-ett önskvärt resultat som kan öka avkastningen samtidigt som gödsel och naturresurser bevaras.

För detta ändamål, forskare från Uppsala universitet använder neutroner vid Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att bestämma proteinstrukturen i ett RuBisCO -prov från spenatblad.

"Vi hoppas kunna förstå kolfixering i detalj på atomnivå, vilket skulle hjälpa oss att räkna ut exakt vad som händer med varje koldioxidmolekyl som enzymet tar ut ur atmosfären och för in i biosfären, "sade huvudutredaren Marvin Seibert.

Under fixering, organismer "fixerar" kol på plats genom att binda det till organiska molekyler.

Trots att den spelar en så viktig roll i denna process, RuBisCO är exceptionellt långsam och ineffektiv. Att kompensera, växter tvingas ägna en betydande del av sina värdefulla resurser åt att producera stora mängder av enzymet.

"En betydande mängd kväve som en växt behöver för sin tillväxt går till att göra RuBisCO, som i sin tur samlar upp det kol som behövs för fotosyntes, "Sa Seibert." För övrigt, mycket av det gödselmedel som vi lägger i fält hamnar i de inre proteinerna i växter för att bidra till denna process. "

Eftersom det produceras som ett svar på den ständiga efterfrågan på kol, RuBisCO kan utan tvekan kategoriseras som ett av de mest förekommande enzymerna på planeten. Forskare uppskattar att vid något tillfälle, varje kolatom i varje organism har passerat kolfixering.

Om växter kunde trivas och slutföra kolfixering under effektivare förhållanden, en sådan kostnadsbesparing, miljövänligt resultat kan bidra till övergripande förbättringar av jordbruks- och ekonomiskt värde för viktiga grödor som används för mat, biobränslen, och andra praktiska syften.

Även om forskare tidigare har använt röntgentekniker för att studera RuBisCO, neutronspridningsmetoder har den distinkta fördelen att de är känsliga för väte. Ungefär hälften av atomerna i biomolekyler är väteatomer, vilket innebär att förmågan att identifiera deras plats och struktur är av största vikt för att karakterisera enzymets atomstruktur.

"Om vi ​​kan producera en neutronkristallografistruktur där vi kan se väteatomerna i RuBisCO aktiva plats, vi borde kunna undersöka enzymets katalytiska mekanism och lära oss mer om omvandlingen av koldioxid till organiska kolföreningar, "Sa Seibert.

Arbetar med ORNL -forskaren Flora Meilleur, det svenska laget eftersträvar detta mål på ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR) med hjälp av IMAGINE -instrumentet, HFIR beamline CG-4-D. De kör också komplementära experiment på ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) med hjälp av MaNDi -instrumentet, SNS beamline 11B.

Tidigare, forskarna förlitade sig på hypoteser och modeller för att undersöka RuBisCOs katalytiska aktivitet, men de räknar med att neutronspridningsforskningen kommer att ge en mer konkret grund att bygga framtida studier på.

"Vi fick resultat under de första fem minuterna, och att se framgångar som snabbt är väldigt ovanliga, "Seibert sa." Kombinationen av bra instrumentation och underbara människor här gör detta experiment möjligt. "