Durante a fotossíntese, uma enzima chamada Rubisco Catalyts de reação -chave – os compostos orgânicos incluem dióxido de carbono em compostos orgânicos. No entanto, Rubisco, que é considerado a mais enzima do mundo, é muito ineficiente do que outras enzimas associadas à fotossíntese.
Os químicos do MIT mostraram agora que podem estender bastante uma versão de Rubsko encontrada em bactérias do ambiente de baixo oxigênio. Usando um processo conhecido como evolução indicada, eles identificaram mutações que poderiam aumentar a eficiência do catalisador de rubsko em até 25 %.
Os pesquisadores agora planejam aplicar suas técnicas às formas de Rubisco que podem ajudar a aumentar sua taxa de fotossíntese nas plantas, o que pode melhorar o rendimento das culturas.
“Eu acho que uma demonstração obrigatória para melhoria bem -sucedida da propriedade enzimática em Rubsko”, disse Matthew sobre o professor de química do MIT.
O ombro e Robert Wilson, um cientista de pesquisa do Departamento de Química, é um autor sênior da nova pesquisa, que aparece nesta semana Atividades da Academia Nacional de CiênciasA estudante de graduação do MIT, Julie McDonald, é a principal autora do artigo.
Eficiência
Quando as plantas ou bactérias saloxi absorvem a energia do sol, elas primeiro convertem-as em moléculas de cordão de energia como o ATP. Nos estágios posteriores da fotossíntese, as células usam essa energia em glicose para converter uma molécula conhecida como bisfosfa de ribulose, que requer várias reações adicionais. Rubisco é o primeiro dessas reações, conhecido como Carboxion. Durante essa resposta, carbono de co -ko2 A ribulose é adicionada ao bisfosfato.
Ao comparar outras enzimas associadas à fotossíntese, o Rubisco é muito lento, apenas uma a 10 reações por segundo. Além disso, o Rubisco também pode entrar em contato com o oxigênio, cria uma resposta competitiva que inclui oxigênio em vez de carbono – um processo que desperdiça alguma energia absorvida pela luz solar.
“Para os engenheiros de proteínas, esse é um conjunto interessante de problemas, porque esses recursos parecem coisas que você pode mudar para as seqüências de aminoácidos da enzima”, diz McDonald.
Pesquisas anteriores melhoraram a estabilidade e o solúvel de Rubsko, resultando em pequenos lucros nas habilidades enzimáticas. A maioria desses estudos usou a evolução – uma técnica em que as proteínas que ocorrem naturalmente são convertidas aleatoriamente e depois rastreadas para o surgimento de novas características desejadas.
Esse processo geralmente é feito usando PCR propenso a erros, uma técnica que primeiro produz mutações (fora da sala), geralmente introduz apenas uma ou duas transformações no gene alvo. No passado, pesquisas relacionadas a Rubisco, essa biblioteca dessas transformações foi introduzida em bactérias que aumentaram à taxa das atividades de Rubisco. A limitação propensa a erros do PCR e o número de mutações totais que podem ser geradas e a tela podem ser criadas usando esse método com as limitações de PCR e a introdução de novos genes. Muturas manuais e etapas de seleção Adicione mais ao processo em várias rodadas de evolução.
A equipe do MIT usou uma nova técnica de mutizenasia em vez do laboratório de ombro antes, chamado Mutat 7. Essa técnica permite que os pesquisadores realizem mutizenose e triagem em células vivas que aceleram drasticamente o processo. Sua estratégia lhes permite alterar o gene alvo a uma taxa alta.
“Nossa técnica evolutiva ininterrupta permite que você veja mais mutações na enzima do que no passado”, disse McDonald.
Melhor Rubisco
Para este estudo, os pesquisadores começaram com uma versão de Rubsko, que é conhecida como bactérias semi-aeróbicas como isoladas de uma família GalionelusÉ um dos rubiscos mais rápidos encontrados na natureza. Durante os testes de evolução indicados, que foi conduzido E coliOs pesquisadores colocam germes no ambiente com níveis atmosféricos de oxigênio, criando pressão evolutiva para se adaptar ao oxigênio.
Após seis rodadas de evolução, os pesquisadores identificaram três mutações separadas que melhoraram a resistência de Rubisco ao oxigênio. Cada uma dessas conversões está localizada perto do local ativo da enzima (onde realiza carbooxilização ou oxigenação). Os pesquisadores acreditam que essas transformações melhoram a capacidade da enzima de entrar em contato com as enzimas desejadas com dióxido de carbono que o oxigênio, o que causa crescimento geral das habilidades de carbooxilação.
“A questão subjacente aqui é: você pode mudar e melhorar os recursos dinâmicos do Rubisco para gerenciar melhor o ambiente onde deseja gerenciar melhor?” Diz os ombros “o que mudou através do processo de evolução indicado é que Rubisco começou a reagir menos com o oxigênio. Permite que esse Rubisco funcione bem em um ambiente rico em oxigênio, onde geralmente é confuso e reage com oxigênio, o que você não deseja fazer”.
No trabalho em andamento, os pesquisadores estão aplicando essa abordagem a outras formas, incluindo a planta, da planta a Rubisco. Acredita -se que as plantas perdam cerca de 30 % da energia da luz solar que absorvem através de um processo chamado fotorassupação, que ocorre quando o Rubisco trabalha em oxigênio em vez de dióxido de carbono.
“Ele abre a porta para uma nova pesquisa realmente emocionante”, diz Wilson, e é um passo do tipo de engenharia que é dominada pela Rubisco Engineering no passado. “Existem benefícios específicos da produtividade agrícola que podem ser obtidos através de melhores russos”.
O estudo foi financiado pela National Science Foundation, pelo National Health Institutes, ao Abdul Latif Jamil Water and Food Systems Lab Grand Grant Grant Grand Grand Grant Grant e a uma bolsa da Sociedade Familiar Martin para a Sustentabilidade.
