Открытие того, как работает важнейший фермент, «скрытый в природе», проливает новый свет на то, как клетки контролируют ключевые процессы фиксации углерода, фундаментального процесса для жизни на Земле.

Открытие, сделанное учеными из Австралийского национального университета (ANU) и Университета Ньюкасла (UoN), может помочь создать климатически устойчивые культуры, способные более эффективно поглощать углекислый газ из атмосферы, помогая при этом производить больше продуктов питания.

Исследование, опубликованное в Достижения наукидемонстрирует ранее неизвестную функцию фермента под названием карбоксисомальная карбоангидраза (CsoSCA), который обнаружен в цианобактериях, также называемых сине-зелеными водорослями, и максимизирует способность микроорганизмов извлекать углекислый газ из атмосферы.

Цианобактерии широко известны своим токсичным цветением в озерах и реках. Но эти маленькие сине-зеленые жуки широко распространены и обитают также в мировом океане.

Хотя они могут представлять опасность для окружающей среды, исследователи описывают их как «крошечных углеродных супергероев». В процессе фотосинтеза они играют важную роль в улавливании около 12% мирового углекислого газа каждый год.

Первый автор и доктор философии. Исследователь Саша Пулсфорд из АНУ описывает, насколько эффективно эти микроорганизмы улавливают углерод.

«В отличие от растений, цианобактерии имеют систему, называемую механизмом концентрации углекислого газа (CCM), которая позволяет им связывать углерод из атмосферы и превращать его в сахара значительно быстрее, чем стандартные растения и виды сельскохозяйственных культур», — сказала г-жа Пулсфорд.

В основе CCM лежат большие белковые компартменты, называемые карбоксисомами. Эти структуры отвечают за улавливание углекислого газа, содержание CsoSCA и другого фермента, называемого Рубиско. Ферменты CsoSCA и Rubisco работают в унисон, демонстрируя высокоэффективную природу CCM. CsoSCA работает над созданием высокой локальной концентрации углекислого газа внутри карбоксисомы, которую Рубиско затем может поглотить и превратить в сахара для питания клетки.

Ведущий автор доктор Бен Лонг из UoN сказал: «До сих пор ученые не знали, как контролируется фермент CsoSCA. Наше исследование было сосредоточено на разгадке этой тайны, особенно в основной группе цианобактерий, обнаруженных по всему миру. То, что мы обнаружили, было совершенно неожиданным. .

«Фермент CsoSCA танцует под дудку другой молекулы, называемой RuBP, которая активирует его как переключатель. Думайте о фотосинтезе как о приготовлении бутерброда. Углекислый газ из воздуха является наполнителем, но фотосинтетическая клетка должна обеспечивать хлеб. Это RuBP. Точно так же, как вам нужен хлеб, чтобы приготовить бутерброд, скорость превращения углекислого газа в сахар зависит от того, насколько быстро поступает РуБФ.

«Как быстро фермент CsoSCA поставляет углекислый газ в Рубиско, зависит от того, сколько RuBP присутствует. Когда его достаточно, фермент включается. Но если в клетке заканчивается RuBP, фермент выключается, что делает систему высоконастроенной. Удивительно, но фермент CsoSCA всегда был встроен в природу и ждал своего открытия».

Ученые говорят, что создание культур, более эффективно улавливающих и утилизирующих углекислый газ, обеспечит огромный импульс сельскохозяйственной отрасли за счет значительного повышения урожайности и одновременного снижения спроса на азотные удобрения и ирригационные системы. Это также обеспечит большую устойчивость мировых продовольственных систем к изменению климата.

Г-жа Пулсфорд сказала: «Понимание того, как работает СКК, не только обогащает наши знания о естественных процессах, фундаментальных для биогеохимии Земли, но также может помочь нам в создании устойчивых решений некоторых из крупнейших экологических проблем, с которыми сталкивается мир».