Co je Rubisco a proč se ho vědci snaží vylepšit?

Protein, který živí svět

Každý list pšenice, každé zrnko rýže, každé jablko visící ze stromu vděčí za svou existenci jedinému enzymu: Rubisco. Zkráceně ribulosa-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, Rubisco je protein zodpovědný za odebírání oxidu uhličitého ze vzduchu a jeho přeměnu na cukry, které pohánějí veškerý růst rostlin. Hmotnostně je to nejrozšířenější protein na Zemi – vědci odhadují, že na každého žijícího člověka připadá zhruba 5 kg Rubisco, rozprostřeného v lesích, na polích a v oceánech. Více než 90 % veškerého anorganického uhlíku přeměněného na živou hmotu jím prochází.

Přes veškerou svou důležitost je Rubisco překvapivě neohrabaný enzym – a vědci po celém světě se ho snaží vylepšit dříve, než rostoucí a oteplující se planeta začne mít nedostatek potravin.

Jak Rubisco funguje

Fotosyntéza je proces, kterým rostliny využívají sluneční světlo k přeměně CO₂ a vody na glukózu. Rubisco sedí v srdci tohoto procesu a katalyzuje kritický krok známý jako fixace uhlíku – okamžik, kdy je molekula CO₂ z atmosféry uchopena a připojena k pětiuhlíkovému cukru, čímž se spustí řetězec reakcí, které nakonec produkují potravu.

Bez tohoto kroku by neexistovala žádná biomasa, žádný potravní řetězec a žádný dýchatelný kyslík. V tomto smyslu je Rubisco nejdůležitější enzym na planetě. Ukazuje se ale, že evoluce z něj neudělala nijak zvlášť efektivní enzym.

Problém s neefektivitou

Rubisco se vyvinulo zhruba před 3,5 miliardami let, v atmosféře téměř zcela postrádající kyslík. Tehdy fungovalo perfektně: CO₂ bylo hojné, kyslíku málo a Rubisco spolehlivě uchopovalo správnou molekulu. Problém je v tom, že se zemská atmosféra od té doby dramaticky změnila – a Rubisco s ní nedrželo krok.

V dnešním vzduchu bohatém na kyslík si Rubisco pravidelně plete kyslík s CO₂, což spouští zbytečnou vedlejší reakci zvanou fotorespirace. Tento proces může spotřebovat až 25–30 % energie, kterou rostlina již investovala do fotosyntézy, což v podstatě nutí rostlinu zrušit práci, kterou již odvedla. Kromě toho je Rubisco mimořádně pomalé na enzymové standardy, zpracovává pouze 2–10 molekul CO₂ za sekundu – ve srovnání s tisíci reakcí za sekundu u mnoha jiných enzymů. Aby to rostliny kompenzovaly, musí ho produkovat obrovské množství, přičemž až 50 % bílkovin v listech věnují samotnému Rubisco.

Výsledkem je zásadní úzké hrdlo v zemědělství. Mnohé z nejdůležitějších základních plodin na světě – pšenice, rýže, sója – využívají základní fotosyntetickou dráhu poháněnou Rubisco, a proto jsou ochromeny jeho neefektivitou.

Proč na tom záleží pro zajištění potravin

Podle výzkumníků z projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) na University of Illinois je zlepšení fotosyntetické účinnosti jednou z nejslibnějších cest k dramatickému zvýšení výnosů plodin bez rozšiřování zemědělské půdy nebo zvyšování používání hnojiv. Sázky jsou vysoké: očekává se, že globální poptávka po potravinách vzroste do roku 2050 o 50–70 % v důsledku růstu populace a změn ve stravování, zatímco orná půda a zásoby sladké vody zůstávají omezené. Změna klimatu tlak ještě umocňuje, protože teplo a sucho dále snižují již tak omezený výkon Rubisco.

I mírné zlepšení účinnosti Rubisco – řekněme snížení fotorespirace o 20 % – by se mohlo promítnout do významného zvýšení výnosů plodin, které živí miliardy lidí.

Poučení z řas a hlevíků

Příroda již problém Rubisco vyřešila, alespoň u některých organismů. Řasy a některé mikroorganismy balí Rubisco do hustých kompartmentů zvaných pyrenoidy, které zaplavují enzym koncentrovaným CO₂ a dramaticky snižují šanci na nákladnou chybu vazby kyslíku. Odhaduje se, že systémy založené na pyrenoidech zprostředkovávají zhruba jednu třetinu veškeré fixace CO₂ na Zemi.

Výzvou bylo zjistit, jak něco podobného zabudovat do plodin. Klíčový nedávný průlom přišel ze studia hlevíků – nenápadné skupiny necévnatých suchozemských rostlin. Na rozdíl od jiných suchozemských rostlin hlevíky přirozeně obsahují kompartmenty podobné pyrenoidům. Vědci zjistili, že unikátní molekulární vlastnost proteinu Rubisco hlevíků, nazvaná STAR region, funguje jako biologický suchý zip, který způsobuje shlukování molekul Rubisco. Rozhodující je, že když vědci zavedli tuto vlastnost do jiných rostlinných druhů, Rubisco se reorganizovalo stejným způsobem – což naznačuje, že mechanismus je přenosný a mohl by být jednoho dne přenesen do pšenice nebo rýže, podle Technology Networks.

Cesta vpřed

Zkonstruovat plně funkční systém koncentrace uhlíku do hlavních plodin zůstává obrovskou výzvou. Vědci stále potřebují vybudovat molekulární „potrubí“, které dopraví CO₂ do nových kompartmentů a zabrání jeho úniku zpět ven. Tento proces zahrnuje současnou rekonstrukci několika vzájemně se ovlivňujících komponent – což je úkol, který si pravděpodobně vyžádá roky polních zkoušek, než se jakákoli geneticky upravená plodina dostane k zemědělcům.

Přesto se obor rychle posouvá vpřed. Od řízené evoluce samotného Rubisco až po velkoobchodní transplantaci fotosyntetického aparátu řas mají nyní vědci více nástrojů než kdy dříve, aby se vypořádali s tím, co může být největší nedokončenou prací evoluce. Pokud uspějí, odměna by mohla patřit k nejvýznamnějším zemědělským pokrokům v historii.