Rubisco е може би най-разпространеният - и най-важният - протеин на Земята. Този ензим задвижва фотосинтезата, процесът, който растенията използват за преобразуване на слънчевата светлина в енергия, за да стимулира растежа и добива на културите. Ролята на Rubisco е да улавя и фиксира въглеродния диоксид (CO2) в захарта, която подхранва дейностите на завода. Въпреки това, доколкото Rubisco е от полза за растежа на растенията, той също може да работи с известно бавно темпо, което създава пречка за фотосинтетичната ефективност.
Около 20 процента от времето Rubisco фиксира кислородни (O2) молекули вместо CO2, струвайки енергията на растенията, която би могла са били използвани за създаване на добив. Този отнемащ време и енергия процес се нарича фотодишане, при което растението изпраща своите ензими през три различни отделения в растителната клетка.
"Въпреки това, много фотосинтетични организми са развили механизми за преодоляване на някои от ограниченията на Рубиско", каза Бен Лонг, който ръководи това скорошно проучване, публикувано в PNAS за изследователски проект, наречен Реализиране на повишена фотосинтетична ефективност (RIPE). RIPE, която се ръководи от Илинойс в партньорство с Австралийския национален университет (ANU), създава инженерни култури, за да бъдат по-продуктивни чрез подобряване на фотосинтезата. RIPE се поддържа от Фондация Бил и Мелинда Гейтс, Фондация за изследвания в областта на храните и селското стопанство и Службата за чуждестранни въпроси, общности и развитие на Обединеното кралство.
"Сред тези организми има микроводорасли и цианобактерии от водна среда, които имат ефективно функциониращи ензими Rubisco, разположени в течни протеинови капчици и протеинови отделения, наречени пиреноиди и карбоксизоми", каза водещият изследовател Лонг от Изследователското училище по биология на ANU.
Как тези протеинови отделения подпомагат функцията на Rubisco не е напълно известно. Екипът от ANU имаше за цел да намери отговора, като използва математически модел, който се фокусира върху химическата реакция, която Рубиско извършва. Тъй като събира CO2 от атмосферата, Rubisco също освобождава положително заредени протони.
"В отделенията на Rubisco тези протони могат да ускорят Rubisco чрез увеличаване на наличното количество CO2. Протоните правят това, като подпомагат превръщането на бикарбонат в CO 2", каза Дългия. "Бикарбонатът е основният източник на CO2 във водна среда и фотосинтетичните организми, които използват бикарбонат, могат да ни кажат много за това как да подобрим културните растения."
Математическият модел дава на екипа на ANU по-добра представа защо тези специални отделения на Rubisco могат да подобрят функцията на ензима и също така им дава повече представа за това как може да са се развили. Една хипотеза от проучването предполага, че периодите на ниски CO2 в древната атмосфера на Земята може да са били причината за цианобактериите и микроводораслите да развият тези специализирани отделения, като същевременно те биха могли да бъдат полезни и за организми, които растат в среда с слаба светлина.
ANU членовете на проекта за реализиране на повишена фотосинтетична ефективност (RIPE) се опитват да изградят тези специализирани отделения Rubisco в културни растения, за да помогнат за увеличаване на добива.
"Резултатите от това проучване," обясни Лонг, "дават представа за правилната функция на специализираните отделения Rubisco и ни дават по-добро разбиране за това как очакваме те да се представят в растенията."
