Forskare som står inför en framtid med en större befolkning och mer osäkert klimat letar efter sätt att förbättra skördarna, och de letar efter fotosyntetiska bakterier för tekniska lösningar.

I den Journal of Biological Chemistry , ett kanadensiskt forskarlag rapporterar om hur cyanobakterier finesser ett av de mest slösaktiga stegen i fotosyntesen. Studien undersökte sammansättningen av karboxysomer där bakterierna koncentrerar koldioxid, öka effektiviteten hos ett kritiskt enzym som kallas RubisCO.

"I princip allt vi äter börjar med RubisCO, sa Matthew Kimber, en professor vid University of Guelph i Ontario, Kanada, och senior författare på den senaste tidningen.

Enzymet, som är gjord av 16 proteinsubenheter, är avgörande för fotosyntesen. Att använda energi som fångas från ljus, den införlivar koldioxid i organiska molekyler från vilka växten sedan bygger nytt socker. Tyvärr, det är inte särskilt effektivt. Eller, från Kimbers synvinkel, "RubisCO har en riktigt otacksam uppgift."

Enzymet utvecklades i en forntida värld där koldioxid var vanligt och syre var sällsynt. Som ett resultat, det är inte särskilt kräsen när det gäller att skilja mellan de två gaserna. Nu när de atmosfäriska borden har vänt, RubisCO fångar ofta av misstag syre, genererar en värdelös förening som anläggningen sedan måste investera extra energi för att återvinna.

Jämfört med växter, cyanobakterier gör väldigt få sådana misstag. Detta beror på att bakterier samlar sin RubisCO i täta kroppar som kallas karboxysomer. Bakterierna pumpar bikarbonat (helt enkelt hydratiserad CO2) in i cellen; när det väl kommer in i karboxysomen, enzymer omvandlar bikarbonatet till koldioxid. Eftersom koldioxiden inte kan fly genom proteinskalet som omger karboxisomen, det bygger upp till höga koncentrationer, hjälpa RubisCO att undvika kostsamma misstag.

Kimbers intresse för karboxysomer ligger främst i att förstå logiken i deras organisation. "De är faktiskt fenomenalt invecklade maskiner, " förklarar han. "Cyanobakterien gör elva eller så normala proteiner, och dessa organiserar sig på något sätt i detta självreglerande megakomplex som kan överstiga storleken på en liten cell."

Ett av karboxysomernas mest imponerande knep är självmontering, som Kimbers labb försökte förstå. De tittade på ett protein som heter CcmM, som korralerar RubisCO-enzymer till nya karboxysomer. De visste att en del av CcmM ser mycket ut som en underenhet av RubisCO – så mycket, faktiskt, att forskare misstänker att gamla cyanobakterier ursprungligen skapade CcmM genom att duplicera en RubisCO-gen. De flesta forskare inom området trodde att CcmM binder till enzymet genom att tillskansa sig den underenhetens plats. Men när Kimbers labb tog en detaljerad titt på CcmM, använda biofysiktekniker för att observera proteinets struktur och bindning, resultaten visade att mottagen visdom var fel. Sann, CcmM liknade till formen den lilla RubisCO-subenheten. Men komplexen den bildade innehöll fortfarande alla 8 små underenheter, vilket betyder att istället för att stjäla en plats från en RubisCO-subenhet, CcmM måste vara bindande någon annanstans helt och hållet.

"Det här är väldigt konstigt ur ett biologiskt perspektiv, för om CcmM uppstod genom att duplicera den lilla underenheten, det var nästan säkert ursprungligen bundet på samma sätt, " sa Kimber. "Vid någon tidpunkt, det måste ha utvecklats för att föredra en ny bindningsplats."

Forskarna fann också att en länk mellan bindande domäner i CcmM är tillräckligt kort för att "istället för att linda RubisCO, det binder ihop (individuella enzymer) som pärlor på ett snöre. Med flera sådana länkar som binder varje RubisCO slumpmässigt, det tvärbinder allt till denna stora glob; du virar ett skal runt det, och detta blir sedan karboxisomen."

Forskare vid ett annat universitet rapporterade i höstas att de hade lyckats göra tobaksplantor med en avskalad karboxisom i sina kloroplaster. Dessa växter växte inte särskilt bra, och författarna drog slutsatsen att de hade tagit bort för många komponenter av karboxisomen; även om det kunde byggas i kloroplasten, det var ett drag på växterna istället för en hjälp. Att ha en bättre förståelse för hur proteiner som CcmM bidrar till karboxisomkonstruktion och funktion kan hjälpa bioingenjörer att utnyttja karboxisomeffektiviteten i nästa generations konstruerade växter.