Et hold ledet af forskere ved University of California, Davis, har opdaget et manglende led i udviklingen af fotosyntese og kulstoffiksering. En nyopdaget form for planteenzymet rubisco, der går mere end 2,4 milliarder år tilbage, kunne give ny indsigt i planternes udvikling og forædling.
Rubisco er det mest udbredte enzym på planeten. Til stede i planter, cyanobakterier (også kendt som blågrønne alger) og andre fotosyntetiske organismer, er det centr alt i processen med kulstoffiksering og er et af Jordens ældste kulstoffikserende enzymer.
"Det er den primære drivkraft for at producere mad, så det kan tage CO2 fra atmosfæren og binde det til sukker, som planter og andre fotosyntetiske organismer kan bruge. Det er det primære drivende enzym til at tilføre kulstof til livet på den måde," sagde Doug Banda, en postdoktor i laboratoriet hos Patrick Shih, assisterende professor i plantebiologi ved UC Davis College of Biological Sciences.
Form I rubisco udviklede sig for over 2,4 milliarder år siden før den store iltningsbegivenhed, da cyanobakterier transformerede Jordens atmosfære ved at producere ilt gennem fotosyntese. Rubiscos bånd til denne ældgamle begivenhed gør den vigtig for videnskabsmænd, der studerer livets udvikling.
I en undersøgelse, der vises den 31. august i Nature Plants, rapporterer Banda og forskere fra UC Davis, UC Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory opdagelsen af en hidtil ukendt slægtning af form I rubisco, en som de mistænker afvige fra form I rubisco forud for udviklingen af cyanobakterier.
Den nye version, kaldet form I-prime rubisco, blev fundet gennem genomsekventering af miljøprøver og syntetiseret i laboratoriet. Form I-prime rubisco giver forskere ny indsigt i den strukturelle udvikling af form I rubisco, hvilket potentielt giver fingerpeg om, hvordan dette enzym ændrede planeten.
En usynlig verden
Form I rubisco er ansvarlig for langt størstedelen af kulstoffikseringen på Jorden. Men andre former for rubisco findes i bakterier og i gruppen af mikroorganismer kaldet Archaea. Disse rubisco-varianter kommer i forskellige former og størrelser og mangler endda små underenheder. Alligevel fungerer de stadig.
"Noget iboende for at forstå, hvordan form I rubisco udviklede sig, er at vide, hvordan den lille underenhed udviklede sig," sagde Shih. "Det er den eneste form for rubisco, som vi kender til, der gør denne form for oktamerisk samling af store underenheder."
Medforfatter af studiet, professor Jill Banfield, fra UC Berkeleys afdeling for jord- og planetvidenskab, afslørede den nye rubisco-variant efter at have udført metagenomiske analyser på grundvandsprøver. Metagenomiske analyser giver forskere mulighed for at undersøge gener og genetiske sekvenser fra miljøet uden at dyrke mikroorganismer.
"Vi ved næsten intet om, hvilken slags mikrobielt liv, der findes i verden omkring os, og derfor har langt størstedelen af mangfoldigheden været usynlig," sagde Banfield. "De sekvenser, som vi afleverede til Patricks laboratorium, kommer faktisk fra organismer, der ikke var repræsenteret i nogen databaser."
Banda og Shih udtrykte med succes form I-prime rubisco i laboratoriet ved hjælp af E. coli og studerede dens molekylære struktur.
Form I rubisco er bygget af otte store molekylære underenheder med otte små underenheder placeret øverst og nederst. Hvert stykke af strukturen er vigtigt for fotosyntese og kulstoffiksering. Ligesom form I rubisco er form I-prime rubisco bygget af otte store underenheder. Den besidder dog ikke de små underenheder, som man tidligere troede var essentielle.
"Opdagelsen af en oktamerisk rubisco, der dannes uden små underenheder, giver os mulighed for at stille evolutionære spørgsmål om, hvordan livet ville have set ud uden den funktionalitet, som små underenheder giver," sagde Banda."Specifikt fandt vi ud af, at form I-prime-enzymer skulle udvikle befæstede interaktioner i fravær af små underenheder, hvilket muliggjorde strukturel stabilitet i en tid, hvor Jordens atmosfære hurtigt ændrede sig."
Ifølge forskerne repræsenterer form I-prime rubisco et manglende led i evolutionens historie. Da form I rubisco omdanner uorganisk kulstof til plantebiomasse, kan yderligere forskning i dets struktur og funktionalitet føre til innovationer inden for landbrugsproduktion.
"Selvom der er betydelig interesse for at udvikle en 'bedre' rubisco, har der været ringe succes gennem årtiers forskning," sagde Shih. "Således kan forståelsen af, hvordan enzymet har udviklet sig over milliarder af år, give nøgleindsigt i fremtidige ingeniørbestræbelser, som i sidste ende kan forbedre fotosyntetisk produktivitet i afgrøder."
