Čo je Rubisco a prečo sa ho vedci snažia vylepšiť

Proteín, ktorý živí svet

Každý list pšenice, každé zrnko ryže, každé jablko visiace zo stromu vďačí za svoju existenciu jedinému enzýmu: Rubisco. Skratka pre ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, Rubisco je proteín zodpovedný za extrahovanie oxidu uhličitého zo vzduchu a jeho premenu na cukry, ktoré poháňajú rast všetkých rastlín. Hmotnostne je to najrozšírenejší proteín na Zemi – vedci odhadujú, že na každého žijúceho človeka pripadá približne 5 kg Rubisca, rozloženého v lesoch, na poliach a v oceánoch. Cez neho prejde viac ako 90 % všetkého anorganického uhlíka premeneného na živú hmotu.

Napriek všetkému svojmu významu je Rubisco prekvapivo nemotorný enzým – a vedci na celom svete sa pretekajú v jeho oprave skôr, ako sa rastúcej a otepľujúcej sa planéte minú potraviny.

Ako Rubisco funguje

Fotosyntéza je proces, pri ktorom rastliny využívajú slnečné svetlo na premenu CO₂ a vody na glukózu. Rubisco sedí v srdci tohto procesu a katalyzuje kritický krok známy ako fixácia uhlíka – moment, keď sa molekula CO₂ z atmosféry zachytí a pripojí k päťuhlíkovému cukru, čím sa spustí reťaz reakcií, ktoré nakoniec produkujú potravu.

Bez tohto kroku by nebola žiadna biomasa, žiadny potravinový reťazec a žiadny dýchateľný kyslík. V tomto zmysle je Rubisco najdôležitejší enzým na planéte. Ale evolúcia, ako sa ukazuje, z neho neurobila obzvlášť efektívny.

Problém s neefektívnosťou

Rubisco sa vyvinul približne pred 3,5 miliardami rokov, v atmosfére takmer úplne zbavenej kyslíka. Vtedy fungoval perfektne: CO₂ bol hojný, kyslík vzácny a Rubisco spoľahlivo zachytával správnu molekulu. Problém je v tom, že zemská atmosféra sa odvtedy dramaticky zmenila – a Rubisco s ňou nedržal krok.

V dnešnom vzduchu bohatom na kyslík si Rubisco pravidelne zamieňa kyslík za CO₂, čím spúšťa plytvajúcu vedľajšiu reakciu nazývanú fotorespirácia. Tento proces môže spotrebovať až 25 – 30 % energie, ktorú rastlina už investovala do fotosyntézy, v podstate núti rastlinu zrušiť prácu, ktorú už vykonala. Okrem toho je Rubisco mimoriadne pomalý podľa štandardov enzýmov, spracováva iba 2 – 10 molekúl CO₂ za sekundu – v porovnaní s tisíckami reakcií za sekundu pre mnohé iné enzýmy. Na kompenzáciu toho musia rastliny produkovať obrovské množstvá, pričom až 50 % svojho listového proteínu venujú samotnému Rubiscu.

Výsledkom je zásadné úzke miesto v poľnohospodárstve. Mnohé z najdôležitejších základných plodín na svete – pšenica, ryža, sója – využívajú základnú fotosyntetickú dráhu poháňanú Rubiscom, a preto sú ochromené jeho neefektívnosťou.

Prečo je to dôležité pre potravinovú bezpečnosť

Podľa výskumníkov z projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) na University of Illinois je zlepšenie fotosyntetickej účinnosti jednou z najsľubnejších ciest k dramatickému zvýšeniu úrody plodín bez rozširovania poľnohospodárskej pôdy alebo zvyšovania používania hnojív. V hre je veľa: očakáva sa, že globálny dopyt po potravinách sa do roku 2050 zvýši o 50 – 70 %, keďže populácia rastie a stravovacie návyky sa menia, zatiaľ čo orná pôda a zásoby sladkej vody zostávajú obmedzené. Zmena klímy zvyšuje tlak, pretože tepelný a suchý stres ďalej znižujú už aj tak obmedzený výkon Rubisca.

Dokonca aj mierne zlepšenie účinnosti Rubisca – povedzme, zníženie fotorespirácie o 20 % – by sa mohlo premietnuť do výrazného zvýšenia úrody plodín, ktoré živia miliardy ľudí.

Poučenie z rias a rožtekov

Príroda už problém Rubisca vyriešila, aspoň u niektorých organizmov. Riasy a určité mikroorganizmy balia Rubisco do hustých kompartmentov nazývaných pyrenoidy, ktoré zaplavujú enzým koncentrovaným CO₂ a dramaticky znižujú šancu na nákladnú chybu viazania kyslíka. Odhaduje sa, že systémy založené na pyrenoidoch sprostredkúvajú približne jednu tretinu všetkej fixácie CO₂ na Zemi.

Výzvou bolo zistiť, ako niečo podobné skonštruovať do plodín. Kľúčový nedávny prelom prišiel zo štúdia rožtekov – nenápadnej skupiny necievnatých suchozemských rastlín. Na rozdiel od iných suchozemských rastlín, rožteky prirodzene obsahujú kompartmenty podobné pyrenoidom. Výskumníci zistili, že jedinečná molekulárna vlastnosť proteínu Rubisco rožteka, nazývaná STAR oblasť, funguje ako biologický suchý zips, ktorý spôsobuje zoskupovanie molekúl Rubisca. Rozhodujúce je, že keď vedci zaviedli túto vlastnosť do iných druhov rastlín, Rubisco sa reorganizoval rovnakým spôsobom – čo naznačuje, že mechanizmus je prenosný a jedného dňa by mohol byť prenesený do pšenice alebo ryže, podľa Technology Networks.

Cesta vpred

Skonštruovanie plne funkčného systému koncentrovania uhlíka do hlavných plodín zostáva obrovskou výzvou. Výskumníci stále potrebujú vybudovať molekulárne „potrubie“, ktoré dopraví CO₂ do nových kompartmentov a zabráni jeho úniku späť von. Tento proces zahŕňa súčasné prekonštruovanie viacerých interagujúcich komponentov – úloha, ktorá si pravdepodobne vyžiada roky poľných skúšok, kým sa akákoľvek skonštruovaná plodina dostane k farmárom.

Napriek tomu sa táto oblasť rýchlo rozvíja. Od riadenej evolúcie samotného Rubisca až po rozsiahlu transplantáciu fotosyntetického aparátu rias, vedci majú teraz viac nástrojov ako kedykoľvek predtým na riešenie toho, čo môže byť najväčšou nedokončenou prácou evolúcie. Ak uspejú, odmena by mohla byť jedným z najvýznamnejších poľnohospodárskych pokrokov v histórii.