Istraživački tim predvođen Hongkonškim univerzitetom za nauku i tehnologiju (HKUST) otkrio je kako funkcionišu karboksizomi — strukture za fiksiranje ugljenika koje se nalaze u nekim bakterijama i algama. Ovo otkriće moglo bi pomoći naučnicima da redizajniraju i prenamijene strukture kako bi omogućile biljkama da pretvaraju sunčevu svjetlost u više energije, utirući put poboljšanoj efikasnosti fotosinteze, potencijalno povećavajući globalno snabdevanje hranom i ublažavajući globalno zagrevanje.
Karboksizomi su sićušni odeljci u određenim bakterijama i algama koji obuhvataju određene enzime u ljusci napravljenoj od proteina. Oni vrše fiksaciju ugljenika, što je proces pretvaranja ugljen-dioksida iz atmosfere u organska jedinjenja koja ćelija može da koristi za rast i energiju. Naučnici su pokušavali da shvate kako se ovi odeljci spajaju.
U svom najnovijem istraživanju, tim predvođen prof. Zengom Ćingluom, vanrednim profesorom na HKUST-ovom odeljenju za nauku o okeanu, pokazao je celokupnu arhitekturu karboksisoma prečišćenih od vrste bakterije zvane Prochlorococcus.
U saradnji sa profesorom Zhou Cong-Zhaoom sa Škole prirodnih nauka na Univerzitetu nauke i tehnologije u Kini, tim je prevazišao jednu od najvećih tehničkih poteškoća u lomljenju i kontaminaciji ćelija, što bi sprečilo pravilno prečišćavanje karboksisoma. Tim takođe predlaže kompletan model sklapanja α-karboksisoma, koji nije primećen u prethodnim studijama.
Njihovo istraživanje objavljeno je u časopisu Prirodne biljke.
Tim je posebno koristio krioelektronsku mikroskopiju sa jednom česticom da bi odredio strukturu α-karboksizoma i karakterisao obrazac sastavljanja proteinske ljuske, koja izgleda kao oblik sa 20 strana sa specifičnim proteinima raspoređenim na njegovoj površini. Da bi dobili strukturu minimalnog α-karboksizoma prečnika 86 nm, prikupili su preko 23.400 slika uzetih sa mikroskopa u HKUST Biološkom Crio-EM centru i ručno odabrali oko 32.000 netaknutih čestica α-karboksizoma za analizu.
Unutra su enzimi RuBisCO raspoređeni u tri koncentrična sloja, a istraživački tim je takođe otkrio da protein nazvan CsoS2 pomaže da se sve drži zajedno unutar ljuske. Konačno, nalazi sugerišu da se karboksizomi sastavljaju spolja unutra. To znači da je unutrašnja površina ljuske ojačana određenim delovima CsoS2 proteina, dok drugi delovi proteina privlače enzime RuBisCO i organizuju ih u slojeve.
Jedna od najperspektivnijih primena karboksisoma je u sintetičkoj biologiji biljaka, pri čemu uvođenje karboksisoma u biljne hloroplaste kao mehanizam za koncentraciju CO 2 može poboljšati fotosintetičku efikasnost i prinos useva.
„Naša studija otkriva misteriju sklapanja α-karboksisoma iz Prochlorococcus-a, pružajući tako nove uvide u globalno kruženje ugljenika“, kaže prof. Zeng.
Nalazi će takođe biti važni za usporavanje globalnog zagrevanja, objašnjava on, pošto morske cijanobakterije fiksiraju 25% globalnog CO 2 . „Naše razumevanje mehanizma fiksacije CO 2 morskih cijanobakterija omogućiće nam da poboljšamo njihovu stopu fiksacije CO 2 tako da se više CO 2 može ukloniti iz atmosfere“, kaže on.
Nakon ove studije, tim planira da uvede Prochlorococcus α-karboksizom u biljne hloroplaste i istraži da li minimalni α-karboksizom može poboljšati fotosintetičku efikasnost u biljkama. Takođe planiraju da modifikuju karboksizomske gene i naprave genetski modifikovane super cijanobakterije koje su u stanju da fiksiraju ugljen-dioksid veoma visokim stopama, što bi moglo da uspori globalno zagrevanje.
