Mi az a Rubisco, és miért akarják a tudósok kijavítani?

A fehérje, amely táplálja a világot

Minden búzaszál, minden rizsszem, minden fáról lógó alma egyetlen enzimnek köszönheti a létezését: a Rubisco-nak. A ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz/oxigenáz rövidítése, a Rubisco az a fehérje, amely felelős a szén-dioxid kivonásáért a levegőből és a növényi növekedést tápláló cukrokká alakításáért. Tömegét tekintve a Föld legelterjedtebb fehérjéje – a tudósok becslése szerint körülbelül 5 kg Rubisco jut minden élő emberre, elszórva erdőkben, mezőkön és óceánokban. Az összes szervetlen szén több mint 90%-a, amely élő anyaggá alakul, áthalad rajta.

Minden fontossága ellenére a Rubisco meglepően ügyetlen enzim – és a tudósok szerte a világon versengenek azért, hogy kijavítsák, mielőtt egy növekvő, melegedő bolygón elfogyna az élelem.

Hogyan működik a Rubisco

A fotoszintézis az a folyamat, amely során a növények a napfényt használják fel a CO₂ és a víz glükózzá alakítására. A Rubisco e folyamat középpontjában áll, katalizálva a kritikus lépést, amelyet szén-dioxid megkötésnek neveznek – azt a pillanatot, amikor egy CO₂ molekula a légkörből megragad és egy ötszénatomos cukorhoz kapcsolódik, elindítva egy reakciósorozatot, amely végső soron élelmet termel.

E lépés nélkül nem lenne biomassza, nem lenne tápláléklánc és nem lenne lélegezhető oxigén. Ebben az értelemben a Rubisco a legfontosabb enzim a bolygón. De az evolúció, mint kiderült, nem tette különösebben hatékonnyá.

A hatékonysági probléma

A Rubisco körülbelül 3,5 milliárd évvel ezelőtt fejlődött ki, egy szinte teljesen oxigénmentes légkörben. Akkoriban tökéletesen működött: a CO₂ bőséges volt, az oxigén szűkös, és a Rubisco megbízhatóan megragadta a megfelelő molekulát. A probléma az, hogy a Föld légköre azóta drámaian megváltozott – és a Rubisco nem tartott lépést.

A mai oxigéndús levegőben a Rubisco rendszeresen összetéveszti az oxigént a CO₂-vel, ami egy pazarló mellékreakciót vált ki, amelyet fotorespirációnak neveznek. Ez a folyamat a növény által a fotoszintézisbe már befektetett energia akár 25–30%-át is felemésztheti, lényegében arra kényszerítve a növényt, hogy visszavonja a már elvégzett munkát. Ráadásul a Rubisco rendkívül lassú az enzim szabványokhoz képest, másodpercenként csak 2–10 CO₂ molekulát dolgoz fel – szemben sok más enzim esetében a másodpercenkénti több ezer reakcióval. Ennek kompenzálására a növényeknek hatalmas mennyiségben kell előállítaniuk, a levélfehérjéjük akár 50%-át is a Rubisco-nak szentelve.

Ennek eredménye egy alapvető szűk keresztmetszet a mezőgazdaságban. A világ legfontosabb alapvető növényeinek – a búza, a rizs, a szójabab – közül sok a Rubisco által vezérelt alapvető fotoszintézis útvonalat használja, ezért a hatékonysága korlátozott.

Miért fontos az élelmezésbiztonság szempontjából

Az Illinois-i Egyetem RIPE projektje (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) szerint a fotoszintézis hatékonyságának javítása az egyik legígéretesebb út a terméshozam drámai növeléséhez anélkül, hogy bővítenénk a szántóterületet vagy növelnénk a műtrágyahasználatot. A tét nagy: a globális élelmiszerkereslet várhatóan 50–70%-kal nő 2050-re a népesség növekedésével és az étrendek változásával, miközben a művelhető földterület és az édesvízkészletek korlátozottak maradnak. Az éghajlatváltozás súlyosbítja a nyomást, mivel a hő- és aszálystressz tovább csökkenti a Rubisco már amúgy is korlátozott teljesítményét.

Még a Rubisco hatékonyságának szerény javítása is – mondjuk a fotorespiráció 20%-kal történő csökkentése – jelentős terméshozam-növekedést eredményezhet a növények esetében, amelyek milliárdokat táplálnak.

Tanulás az algáktól és a becősmohákról

A természet már megoldotta a Rubisco problémát, legalábbis néhány szervezetben. Az algák és bizonyos mikroorganizmusok a Rubisco-t sűrű rekeszekbe, úgynevezett pirenoidokba csomagolják, amelyek koncentrált CO₂-vel árasztják el az enzimet, és drámaian csökkentik a költséges oxigénkötési hiba esélyét. A pirenoid alapú rendszerek becslések szerint a Földön az összes CO₂ megkötés körülbelül egyharmadát közvetítik.

A kihívás az volt, hogy kitaláljuk, hogyan lehet valami hasonlót beépíteni a haszonnövényekbe. Egy kulcsfontosságú közelmúltbeli áttörés a becősmohák – a nem érrendszeres szárazföldi növények egy szerény csoportjának – tanulmányozásából származott. Más szárazföldi növényektől eltérően a becősmohák természetesen pirenoid-szerű rekeszeket tartalmaznak. A kutatók felfedezték, hogy a becősmoha Rubisco fehérjéjének egyedülálló molekuláris jellemzője, a STAR régió biológiai tépőzárként működik, ami a Rubisco molekulák összecsomósodását okozza. Döntő fontosságú, hogy amikor a tudósok ezt a tulajdonságot más növényfajokba vezették be, a Rubisco ugyanúgy átrendeződött – ami arra utal, hogy a mechanizmus hordozható, és egy nap átvihető búzára vagy rizsre, a Technology Networks szerint.

A jövő útja

Egy teljesen működő szén-dioxid-koncentráló rendszer beépítése a főbb növényekbe továbbra is hatalmas kihívást jelent. A kutatóknak még meg kell építeniük a molekuláris „csatornarendszert”, amely a CO₂-t az új rekeszekbe szállítja, és megakadályozza, hogy visszaszivárogjon. A folyamat több, egymással kölcsönhatásban lévő komponens egyidejű újratervezését foglalja magában – ez a feladat valószínűleg évekig tartó szántóföldi kísérleteket igényel, mielőtt bármelyik génmódosított növény eljutna a gazdákhoz.

Mindazonáltal a terület gyorsan fejlődik. Magának a Rubisco irányított evolúciójától az algák fotoszintézis gépezetének teljes átültetéséig a tudósoknak most több eszközük van, mint valaha, hogy megbirkózzanak azzal, ami az evolúció legnagyobb befejezetlen munkája lehet. Ha sikerrel járnak, a jutalom a történelem legjelentősebb mezőgazdasági előrelépései közé tartozhat.