חוקרים העומדים בפני עתיד עם אוכלוסייה גדולה יותר ואקלים יותר לא בטוח מחפשים דרכים לשפר את תנובת היבול, והם מחפשים חיידקים פוטוסינתטיים לפתרונות הנדסיים.
ב-Journal of Biological Chemistry, צוות מחקר קנדי מדווח על האופן שבו ציאנובקטריות מעודנות את אחד השלבים הבזבזניים ביותר בפוטוסינתזה. המחקר חקר את הרכבת הקרבוקסיזומים שבהם החיידקים מתרכזים פחמן דו חמצני, מה שמגביר את היעילות של אנזים קריטי בשם RubisCO.
"בעצם כל מה שאנחנו אוכלים מתחיל עם RubisCO", אמר מתיו קימבר, פרופסור באוניברסיטת גואלף באונטריו, קנדה, ומחבר בכיר במאמר האחרון.
האנזים, שעשוי מ-16 תת-יחידות חלבון, חיוני לפוטוסינתזה. באמצעות אנרגיה הנלכדת מאור, הוא משלב פחמן דו חמצני למולקולות אורגניות שמהן בונה הצמח סוכר חדש. למרבה הצער, זה לא נורא יעיל. או, מנקודת המבט של קימבר, "ל-RubisCO יש משימה ממש חסרת תודה."
האנזים התפתח בעולם עתיק שבו פחמן דו חמצני היה נפוץ וחמצן היה נדיר. כתוצאה מכך, הוא לא מאוד בררן בהבחנה בין שני הגזים. כעת, לאחר שהטבלאות האטמוספריות התהפכו, רוביסCO לרוב לוכד בטעות חמצן, ויוצר תרכובת חסרת תועלת שהמפעל צריך להשקיע אנרגיה נוספת כדי למחזר.
בהשוואה לצמחים, ציאנובקטריות עושות מעט מאוד טעויות כאלה. הסיבה לכך היא שחיידקים אוספים את ה-RubisCO שלהם לתוך גופים צפופים הידועים כקרבוקסיזומים. החיידקים שואבים ביקרבונט (פשוט hydrated CO2) לתוך התא; ברגע שהוא נכנס לקרבוקסיזום, אנזימים ממירים את הביקרבונט לפחמן דו חמצני.מכיוון שהפחמן הדו-חמצני אינו יכול לברוח דרך מעטפת החלבון המקיפה את הקרבוקסיזום, הוא מצטבר לריכוזים גבוהים, ועוזר ל-RubisCO להימנע מטעויות יקרות.
העניין של קימבר בקרבוקסיזומים הוא בעיקר בהבנת ההיגיון של הארגון שלהם. "הם למעשה מכונות מורכבות בצורה פנומנלית", הוא מסביר. "הציאנובקטריה מייצרת אחד-עשר חלבונים בעלי מראה נורמלי, ואלה מתארגנים איכשהו לתוך המגה-קומפלקס המווסת את עצמו שיכול לחרוג מגודלו של תא קטן."
אחד הטריקים המרשימים ביותר של קרבוקסיזומים הוא הרכבה עצמית, שהמעבדה של קימבר ניסתה להבין. הם הסתכלו על חלבון בשם CcmM, שכולא את אנזימי RubisCO לקרבוקסיזומים חדשים. הם ידעו שחלק מ-CcmM נראה הרבה כמו תת-יחידה של RubisCO - עד כדי כך, למעשה, עד כדי כך שחוקרים חושדים שציאנובקטריה עתיקה יצרה את CcmM במקור על ידי שכפול גן RubisCO. רוב המדענים בתחום האמינו ש-CcmM נקשר לאנזים על ידי גזילת הנקודה של תת-היחידה הזו.אבל כאשר המעבדה של קימבר בחנה את CcmM, תוך שימוש בטכניקות ביו-פיזיקה כדי לצפות במבנה והקישור של החלבון, התוצאות הראו שהחוכמה שהתקבלה הייתה שגויה. נכון, CcmM היה דומה בצורתו ליחידת המשנה הקטנה של RubisCO. אבל הקומפלקסים שהוא יצר עדיין כללו את כל 8 יחידות המשנה הקטנות, כלומר במקום לגנוב נקודה מיחידת משנה של RubisCO, CcmM היה חייב להיות מחייב במקום אחר לגמרי.
"זה מאוד מוזר מנקודת מבט ביולוגית, כי אם CcmM נוצר על ידי שכפול של תת-היחידה הקטנה, היא כמעט בוודאות נקשרת במקור באותו אופן", אמרה קימבר. "בשלב מסוים, זה בטח התפתח להעדיף אתר כריכה חדש."
החוקרים מצאו גם שמקשר בין תחומים מחייבים ב-CcmM הוא קצר מספיק כדי ש"במקום לעטוף סביב RubisCO, הוא קושר (אנזימים בודדים) יחד כמו חרוזים על מחרוזת. עם כמה קישורים כאלה הקושרים כל RubisCO באקראי, הוא מצלב הכל לתוך הכדור הגדול הזה; אתה עוטף מעטפת סביבו, ואז זה הופך לקרבוקסיזום."
מדענים מאוניברסיטה אחרת דיווחו בסתיו שעבר שהם הצליחו לייצר צמחי טבק עם קרבוקסיזום מופשט בכלורופלסטים שלהם. הצמחים האלה לא גדלו טוב במיוחד, והמחברים הגיעו למסקנה שהם הוציאו יותר מדי רכיבים מהקרבוקסיזום; למרות שניתן היה לבנות אותו בכלורופלסט, זה היה גרור על הצמחים במקום עזרה. הבנה טובה יותר של האופן שבו חלבונים כמו CcmM תורמים לבנייה ולתפקוד הקרבוקסיזום עשויה לעזור למהנדסי ביו למנף את יעילות הקרבוקסיזומים בדור הבא של מפעלים מהונדסים.
