Czym jest Rubisco i dlaczego naukowcy chcą go ulepszyć?

Białko, które żywi świat

Każdy źdźbło pszenicy, każde ziarno ryżu, każde jabłko wiszące na drzewie zawdzięcza swoje istnienie jednemu enzymowi: Rubisco. Skrót od rybulozo-1,5-bisfosfokarboksylazy/oksygenazy, Rubisco to białko odpowiedzialne za wyciąganie dwutlenku węgla z powietrza i przekształcanie go w cukry, które napędzają wzrost wszystkich roślin. Pod względem masy jest to najpowszechniejsze białko na Ziemi – naukowcy szacują, że na każdego żyjącego człowieka przypada około 5 kg Rubisco, rozmieszczonego w lasach, na polach i w oceanach. Ponad 90% całego węgla nieorganicznego przekształcanego w materię ożywioną przechodzi przez niego.

Jednak pomimo całego swojego znaczenia, Rubisco jest zaskakująco niezdarnym enzymem – a naukowcy na całym świecie ścigają się, by go naprawić, zanim rosnąca, ocieplająca się planeta zacznie cierpieć na niedobór żywności.

Jak działa Rubisco

Fotosynteza to proces, w którym rośliny wykorzystują światło słoneczne do przekształcania CO₂ i wody w glukozę. Rubisco znajduje się w sercu tego procesu, katalizując krytyczny etap znany jako wiązanie węgla – moment, w którym cząsteczka CO₂ z atmosfery jest chwytana i przyłączana do pięciowęglowego cukru, rozpoczynając łańcuch reakcji, które ostatecznie produkują żywność.

Bez tego kroku nie byłoby biomasy, łańcucha pokarmowego i tlenu, którym oddychamy. W tym sensie Rubisco jest najważniejszym enzymem na planecie. Ale ewolucja, jak się okazuje, nie uczyniła go szczególnie wydajnym.

Problem z niewydajnością

Rubisco ewoluował około 3,5 miliarda lat temu, w atmosferze prawie całkowicie pozbawionej tlenu. Wtedy działał idealnie: CO₂ było pod dostatkiem, tlenu było mało, a Rubisco niezawodnie chwytał właściwą cząsteczkę. Problem polega na tym, że atmosfera Ziemi zmieniła się dramatycznie od tego czasu – a Rubisco nie nadążył.

W dzisiejszym bogatym w tlen powietrzu Rubisco regularnie myli tlen z CO₂, wywołując marnotrawną reakcję uboczną zwaną fotooddychaniem. Proces ten może pochłaniać do 25–30% energii, którą roślina już zainwestowała w fotosyntezę, zasadniczo zmuszając ją do cofania pracy, którą już wykonała. Oprócz tego Rubisco jest niezwykle powolny jak na standardy enzymów, przetwarzając tylko 2–10 cząsteczek CO₂ na sekundę – w porównaniu z tysiącami reakcji na sekundę w przypadku wielu innych enzymów. Aby to zrekompensować, rośliny muszą produkować go w ogromnych ilościach, poświęcając do 50% białka liści tylko na Rubisco.

Rezultatem jest fundamentalne wąskie gardło w rolnictwie. Wiele z najważniejszych roślin uprawnych na świecie – pszenica, ryż, soja – wykorzystuje podstawowy szlak fotosyntezy napędzany przez Rubisco i dlatego jest ograniczony jego niewydajnością.

Dlaczego to ma znaczenie dla bezpieczeństwa żywnościowego

Według badaczy z projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) na Uniwersytecie Illinois, poprawa wydajności fotosyntezy jest jedną z najbardziej obiecujących dróg do dramatycznego zwiększenia plonów bez powiększania gruntów rolnych lub zwiększania zużycia nawozów. Stawka jest wysoka: globalny popyt na żywność ma wzrosnąć o 50–70% do 2050 r. wraz ze wzrostem populacji i zmianami w diecie, podczas gdy grunty orne i zasoby słodkiej wody pozostają ograniczone. Zmiany klimatyczne potęgują presję, ponieważ stres cieplny i susza dodatkowo zmniejszają i tak już ograniczoną wydajność Rubisco.

Nawet niewielka poprawa wydajności Rubisco – powiedzmy, zmniejszenie fotooddychania o 20% – mogłaby przełożyć się na znaczne zwiększenie plonów roślin uprawnych, które żywią miliardy ludzi.

Uczenie się od alg i glewików

Natura już rozwiązała problem Rubisco, przynajmniej w niektórych organizmach. Algi i niektóre mikroorganizmy pakują Rubisco do gęstych przedziałów zwanych pirenoidami, które zalewają enzym skoncentrowanym CO₂ i dramatycznie zmniejszają szansę na kosztowny błąd wiązania tlenu. Szacuje się, że systemy oparte na pirenoidach pośredniczą w około jednej trzeciej całego wiązania CO₂ na Ziemi.

Wyzwanie polegało na wymyśleniu, jak zaprojektować coś podobnego w roślinach uprawnych. Kluczowy, niedawny przełom nastąpił dzięki badaniu glewików – niepozornej grupy roślin lądowych naczyniowych. W przeciwieństwie do innych roślin lądowych, glewiki naturalnie zawierają przedziały przypominające pirenoidy. Naukowcy odkryli, że unikalna cecha molekularna białka Rubisco glewika, nazwana regionem STAR, działa jak biologiczny rzep, powodując skupianie się cząsteczek Rubisco. Co najważniejsze, kiedy naukowcy wprowadzili tę cechę do innych gatunków roślin, Rubisco reorganizował się w ten sam sposób – co sugeruje, że mechanizm jest przenośny i pewnego dnia mógłby zostać przeniesiony na pszenicę lub ryż, według Technology Networks.

Droga przed nami

Zaprojektowanie w pełni funkcjonalnego systemu koncentracji węgla w głównych uprawach pozostaje ogromnym wyzwaniem. Naukowcy nadal muszą zbudować molekularne „kanały”, które transportują CO₂ do nowych przedziałów i zapobiegają jego wyciekaniu z powrotem. Proces ten obejmuje jednoczesne przeprojektowanie wielu wzajemnie oddziałujących komponentów – zadanie, które prawdopodobnie zajmie lata prób polowych, zanim jakakolwiek zmodyfikowana uprawa dotrze do rolników.

Mimo to dziedzina ta rozwija się szybko. Od ukierunkowanej ewolucji samego Rubisco po hurtowe przeszczepianie aparatury fotosyntetycznej alg, naukowcy mają teraz więcej narzędzi niż kiedykolwiek, aby uporać się z tym, co może być największą niedokończoną pracą ewolucji. Jeśli im się uda, korzyści mogą być jednymi z najważniejszych osiągnięć rolniczych w historii.