Как бактерии строят гиперэффективные машины для фотосинтеза
Исследователи, которые смотрят в будущее с большим населением и более неопределенным климатом, ищут способы улучшить урожайность, и они ищут фотосинтетические бактерии для технических решений.
В журнале биологической химии канадская исследовательская группа сообщает о том, как цианобактерии используют один из самых расточительных шагов в фотосинтезе. В исследовании изучалась сборка карбоксизом, в которой бактерии концентрируют углекислый газ, повышая эффективность критического фермента под названием RubisCO.
«По сути, все, что мы едим, начинается с RubisCO», — сказал Мэтью Кимбер, профессор Университета Гвельфа в Онтарио, Канада, и старший автор недавней статьи.
Фермент, состоящий из 16 белковых субъединиц , необходим для фотосинтеза. Используя энергию, получаемую от света, он включает углекислый газ в органические молекулы, из которых растение затем строит новый сахар. К сожалению, это не очень эффективно. Или, с точки зрения Кимбера, «у RubisCO действительно неблагодарное занятие».
Фермент развился в древнем мире, где углекислый газ был обычным явлением, а кислород — редким. В результате он не очень разборчив в различении двух газов. Теперь, когда атмосферные таблицы изменились, RubisCO часто случайно улавливает кислород, создавая бесполезное соединение, которое затем завод должен вкладывать в дополнительную энергию для переработки.
По сравнению с растениями цианобактерии совершают очень мало таких ошибок. Это потому, что бактерии собирают свой RubisCO в плотные тела, известные как карбоксисомы. Бактерии перекачивают бикарбонат (просто гидратированный CO2) в клетку; как только он попадает в карбоксисому, ферменты превращают бикарбонат в углекислый газ. Поскольку углекислый газ не может выйти через белковую оболочку, окружающую карбоксисому, он накапливается до высоких концентраций, помогая RubisCO избежать дорогостоящих ошибок.
Интерес Кимбера к карбоксисомам заключается главным образом в понимании логики их организации. «Они на самом деле феноменально запутанные машины», объясняет он. «Цианобактерия вырабатывает одиннадцать или около того нормально выглядящих белков, и они каким-то образом организуются в этот саморегулирующийся мега-комплекс, который может превышать размер маленькой клетки».
Одна из самых впечатляющих уловок карбоксизом — это самостоятельная сборка, которую лаборатория Кимбера намеревалась понять. Они изучили белок CcmM, который превращает энзимы RubisCO в новые карбоксисомы. Они знали, что часть CcmM очень похожа на субъединицу RubisCO — настолько, что исследователи подозревают, что древние цианобактерии первоначально создали CcmM путем дублирования гена RubisCO. Большинство ученых в этой области считают, что CcmM связывается с ферментомузурпировав место этого подразделения. Но когда лаборатория Кимбера детально рассмотрела CcmM, используя биофизические методы для наблюдения за структурой и связыванием белка, результаты показали, что полученная мудрость была неправильной. Правда, CcmM по форме был похож на небольшую субъединицу RubisCO. Но образованные им комплексы все еще включали в себя все 8 небольших субъединиц, а это означает, что вместо того, чтобы украсть пятно из субъединицы RubisCO, CcmM должен был связываться где-то еще.
«Это очень странно с биологической точки зрения, потому что, если CcmM возник в результате дублирования небольшой субъединицы, он почти наверняка изначально был связан таким же образом», — сказал Кимбер. «В какой-то момент он должен был развиваться, чтобы отдать предпочтение новому сайту связывания».
Исследователи также обнаружили, что линкер между связывающими доменами в CcmM достаточно короткий, что «вместо того, чтобы оборачиваться вокруг RubisCO, он связывает (отдельные ферменты) вместе, как бусы на веревочке. С несколькими такими линкерами, связывающими каждый RubisCO в произвольном порядке, он сшивает все в этот большой шар, ты оборачиваешь его оболочкой, и это становится карбоксомой ».
Прошлой осенью ученые из другого университета сообщили, что им удалось создать растения табака с укороченной карбоксисомой в их хлоропластах. Эти растения не особенно хорошо росли, и авторы пришли к выводу, что они забрали слишком много компонентов карбоксизомы; хотя он мог быть построен в хлоропласте, это было препятствие для растений вместо помощи. Более глубокое понимание того, как такие белки, как CcmM, вносят вклад в конструирование и функционирование карбоксизом, могут помочь биоинженерам повысить эффективность карбоксизом в следующем поколении инженерных растений.
