اطلاعات کلیدی جدیدی در مورد آنزیم روبیسکو کشف شد

گروهی از کاوشگران موسسه ماکس پلانک با بازسازی آنزیم روبیسکو با قدمت یک میلیارد ساله یکی از سازگاری های اولیه فتوسنتز را کشف کردند.

به گزارش تکناک، روبیسکو(بیوکاتالیست مرکزی در فتوسنتز) متداول ترین آنزیم قابل یافت در این سیاره است.

یافته‌های آنها نه تنها بر چگونگی تکامل فتوسنتز مدرن به روشنی می پردازد،بلکه محرک های جدیدی را برای تقویت آن نیز فراهم می‌کند.

این روزها زندگی کاملاً به موجودات فتوسنتزی مانند گیاهان و جلبک ها که CO2 را جذب و تبدیل می کنند،بستگی دارد.آنزیمی که روبیسکو نام دارد سالانه بیش از 400 میلیارد تن CO2 را جذب می کند و در قلب این فرآیندها قرار دارد.

روبیسکو در مقادیر شگفت انگیزی توسط موجودات زنده امروزی تولید می شود.حجم آن روی زمین از مجموع حجم همه انسان ها بیشتر است.برای ایفای چنین نقش حیاتی و مهمی، روبیسکو باید در چرخه جهانی کربن دائماً با شرایط محیطی در حال تغییر سازگار شود.

گروهی از کاوشگران موسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک در ماربورگ آلمان، با همکاری دانشگاه سنگاپور،در حال حاضر با موفقیت آنزیم های میلیارد ساله را با استفاده از ترکیبی از تکنیک های محاسباتی و مصنوعی در آزمایشگاه احیا و مطالعه کرده اند‌.

این محققان کشف کردند که در این فرآیند، که از آن به عنوان “دیرینه شناسی مولکولی” یاد می کنند، یک عامل کاملاً جدید،فتوسنتز را برای انطباق با افزایش سطح اکسیژن به جای جهش مستقیم در مرکز فعال آماده می کند.

اگر یک زیرواحد ضروری برای حلالیت وجود نداشته باشد،اجزای آنزیمی منفرد می‌توانند از این طریق با یکدیگر تعامل داشته باشند و ساختارهای نخ مانندی به نام فیبریل تشکیل دهند. اما در شرایط عادی،روبیسکو چنین فیبرهایی را تشکیل نمی دهد.

نخستین ابهام روبیسکو

آنزیم روبیسکو (RuBisCO : class of enzymes) قدمتی باستانی دارد:این بیوکاتالیست حدود چهار میلیارد سال پیش در متابولیسم اولیه قبل از حضور اکسیژن در زمین پدیدار گشت.با این حال،با پدیدار گشتن فتوسنتز تولید کننده و افزایش اکسیژن در اتمسفر،این آنزیم شروع به کاتالیز کردن یک واکنش نامطلوب کرد که در آن O2 را با CO2 اشتباه گرفته و متابولیت هایی تولید می کند که برای سلول سمی هستند.هنوز این زیرلایه سردرگم روی محدوده روبیسکوها اثر می گذارد و کارایی فتوسنتز را محدود می کنند.حتی روبیسکو هایی که در محیط‌های حاوی اکسیژن تکامل یافته بودند و در طول زمان برای CO2 عملکرد ویژه تری داشتند،هیچ کدام از آنها نتوانستند به طور کامل از واکنش جذب اکسیژن خلاص شوند.

عوامل مولکولی افزایش ویژگی های CO2 در روبیسکو تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. با این حال،کاوشگرانی که هدفشان بهبود فتوسنتز است،علاقه زیادی به این موضوع دارند.قابل توجه است که،آن دسته از روبیسکو هایی که افزایش CO2 را نشان می دهند،یک جزء پروتئینی جدید با عملکرد ناشناخته را به کار گرفتند.

اینطور به نظر می رسد که این جزء در افزایش ویژگی CO2 نقش داشته باشد،با این حال،تعیین علت واقعی پیدایش آن سخت است زیرا میلیاردها سال پیش تکامل یافته است.

مطالعه در مورد تکامل با احیای پروتئین های باستانی در آزمایشگاه

برای درک این رویداد کلیدی در تکامل روبیسکو های خاص تر،همکاران موسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک در ماربورگ و دانشگاه فنی نانیانگ در سنگاپور از یک الگوریتم آماری برای بازسازی اشکال روبیسکو استفاده کردند که میلیاردها سال پیش، قبل از بالا آمدن سطح اکسیژن وجود داشته اند.گروهی به سرپرستی محققان ماکس پلانک، توبیاس ارب و گئورگ هوجبرگ، این پروتئین های باستانی را در آزمایشگاه احیا کردند تا خواص آنها را مطالعه کنند.مشخصاً، دانشمندان تعجب کردند که آیا جزء جدید روبیسکو با تکامل ویژگی بالاتر ارتباطی دارد یا خیر.

پاسخ شوکه کننده بود، یکی از کاوشگران،دکتر لوکا شولز توضیح می دهد: ما انتظار داشتیم که جزء جدید به نحوی مستقیماً اکسیژن را از مرکز کاتالیزوری روبیسکو حذف کند.اما این چیزی نیست که اتفاق افتاده است.در عوض، به نظر می‌رسد این زیر واحد جدید به‌عنوان تعدیل‌کننده تکامل عمل می‌کند.

وی ادامه داد: به کارگیری زیرواحد،تأثیری را که جهش‌های بعدی بر زیرواحد کاتالیزوری روبیسکو گذاشت، تغییر داد.بطور ناگهانی،جهش های بی اهمیت قبلی تاثیر زیادی بر شرایط داشت،بخصوص در حضور این جزء جدید. به نظر می رسد که داشتن این زیرواحد جدید پتانسیل تکاملی روبیسکو را کاملاً تغییر داده است.

وابستگی آنزیم به زیر واحد جدید خود

این عملکرد به‌عنوان یک «تعدیل‌کننده تکاملی» جنبه ناشناخته دیگری از جزء پروتئینی جدید را نیز توضیح می‌دهد:روبیسکو هایی که آن را ترکیب کرده‌اند کاملاً به آن وابسته هستند،حتی اگر سایر اشکال روبیسکو بدون آن کاملاً خوب عمل کنند.همین اثر تعدیل‌کننده توضیح می‌دهد که چرا وقتی روبیسکو به این جزء پروتئینی کوچک متصل می‌شود، نسبت به جهش‌هایی که می توانند بطور فاجعه‌باری مضر باشند،مقاومت می کند.با تجمع چنین جهش هایی، روبیسکو عملاً به زیر واحد جدید خود معتاد شد.

در مجموع،در نهایت این یافته‌ها توضیح می‌دهند که چرا روبیسکو این جزء پروتئینی جدید را از زمانی که با آن روبرو شده نگه داشته است.گئورگ هوخبرگ،سرپرست گروه تحقیقاتی ماکس پلانک، توضیح می‌دهد:این واقعیت که این ارتباط تاکنون درک نشده بود،اهمیت تجزیه و تحلیل تکاملی را برای درک بیوشیمی که باعث وجود جریان زندگی در اطراف ما می شود را خاطرنشان می کند.

تاریخچه زیست مولکول هایی مانند روبیسکو می تواند به ما چیزهای زیادی در مورد اینکه چرا آنها به شکل امروزی هستند بیاموزد. البته هنوز بسیاری از پدیده های بیوشیمیایی وجود دارند که ما واقعاً چیزی درباره تاریخچه تکامل آنها نمی دانیم.بنابراین دوره بسیار هیجان انگیزی برای تبدیل شدن به یک بیوشیمیدان تکاملی است:تقریباً کل تاریخ مولکولی سلول هنوز در انتظار کشف شدن است.

کاوش های علمی به گذشته می تواند بینش های ارزشمندی را برای آینده ارائه دهد.توبیاس ارب، مدیر ماکس پلانک، می‌گوید: این مطالعه پیامدهای مهمی برای بهبود فتوسنتز نیز دارد. تحقیقاتمان به ما آموخت که تلاش‌های سنتی برای بهبود روبیسکو ممکن است در مکان نادرستی بوده باشد.سالهای سال تحقیقات متمرکز بر تغییر اسیدهای آمینه ی روبیسکوها بود نه بر روی گسترش آن.

اکنون تحقیقات ما نشان می دهد که افزودن اجزای پروتئینی کاملاً جدید به آنزیم می تواند پربارتر باشد و ممکن است مسیرهای تکاملی غیرممکن را باز کند.این،یک زمین ناشناخته برای مهندسی آنزیم است.