Примерно в 20% случаев Rubisco фиксирует молекулы кислорода (O2) вместо CO2, что требует затрат энергии растений, которые можно было бы использовать для получения урожая. Этот трудоемкий и энергозатратный процесс называется фотодыханием, когда растение посылает свои ферменты через три разных отсека в растительной клетке.
«Тем не менее, многие фотосинтезирующие организмы разработали механизмы для преодоления некоторых ограничений Рубиско», – сказал Бен Лонг, возглавлявший это недавнее исследование, опубликованное в PNAS для исследовательского проекта под названием «Реализация повышенной фотосинтетической эффективности» (RIPE). RIPE, возглавляемая Иллинойсом в партнерстве с Австралийским национальным университетом (ANU), занимается улучшением урожайности сельскохозяйственных культур за счет улучшения фотосинтеза.
RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом продовольственных и сельскохозяйственных исследований и U.K. Министерство иностранных дел, по делам Содружества и развития.
«Среди этих организмов микроводоросли и цианобактерии из водной среды, которые имеют эффективно функционирующие ферменты Rubisco, находящиеся внутри жидких белковых капель и белковых компартментов, называемых пиреноидами и карбоксисомами», – сказал ведущий исследователь Лонг из Исследовательской школы биологии ANU.
Как эти белковые компартменты помогают в функции Rubisco, полностью не известно.
Команда из ANU стремилась найти ответ, используя математическую модель, которая фокусировалась на химической реакции, которую выполняет Рубиско. Собирая CO2 из атмосферы, Rubisco также выделяет положительно заряженные протоны.
"Внутри отсеков Рубиско эти протоны могут ускорить Рубиско за счет увеличения количества доступного СО2. Протоны делают это, помогая превращать бикарбонат в CO2 », – сказал Лонг. «Бикарбонат является основным источником CO2 в водной среде, и фотосинтезирующие организмы, использующие бикарбонат, могут многое рассказать нам о том, как улучшить культурные растения."
Математическая модель дает команде ANU лучшее представление о том, почему эти специальные отсеки Rubisco могут улучшить функцию фермента, а также дает им больше информации о том, как они могли развиваться. Одна из гипотез исследования предполагает, что периоды низкого уровня CO2 в древней атмосфере Земли, возможно, были спусковым механизмом для цианобактерий и микроводорослей, чтобы развить эти специализированные компартменты, а также они могут быть полезны для организмов, которые растут в условиях тусклого света.
Члены ANU проекта «Реализация повышенной фотосинтетической эффективности» (RIPE) пытаются создать эти специализированные отсеки Rubisco в культурных растениях, чтобы помочь в увеличении урожайности.
«Результаты этого исследования, – пояснил Лонг, – дают представление о правильном функционировании специализированных отделений Rubisco и дают нам лучшее понимание того, как мы ожидаем, что они будут работать у растений."