Группа исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружила недостающее звено в эволюции фотосинтеза и фиксации углерода. Недавно обнаруженная форма растительного фермента rubisco, возникшая более 2,4 млрд лет назад, может дать новое понимание эволюции и селекции растений.
Rubisco - самый распространенный фермент на планете. Присутствуя в растениях, цианобактериях (также известных как сине-зеленые водоросли) и других фотосинтезирующих организмах, он играет центральную роль в процессе фиксации углерода и является одним из старейших ферментов, фиксирующих углерод.
«Это основная движущая сила для производства продуктов питания, поэтому он может забирать CO2 из атмосферы и превращать его в сахар для использования растениями и другими фотосинтезирующими организмами. Это основной движущий фермент, который таким образом подпитывает жизнь углеродом», - сказал Дуг Банда, докторант в лаборатории Патрика Ши, доцента кафедры биологии растений Колледжа биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе.
Форма I rubisco возникла более 2,4 миллиарда лет назад до Великого события оксигенации, когда цианобактерии преобразовали атмосферу Земли, производя кислород посредством фотосинтеза. Связь rubisco с этим древним событием делает его важным для ученых, изучающих эволюцию жизни.
В своем исследовании Банда и исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе, Калифорнийском университете в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли сообщают об открытии ранее неизвестного родственника rubisco, который, как они подозревают, отличался от формы I.
Новая версия, названная формой I-prime rubisco, была обнаружена путем секвенирования генома образцов окружающей среды и синтезирована в лаборатории. Форма I-prime rubisco дает исследователям новое понимание структурной эволюции формы I rubisco, потенциально давая ключ к разгадке того, как этот фермент изменил планету.
Невидимый мир
Форма I rubisco ответственна за подавляющее большинство фиксации углерода на Земле. Но другие формы rubisco существуют у бактерий и в группе микроорганизмов под названием археи. Эти варианты rubisco бывают разных форм и размеров, и даже в них отсутствуют небольшие субъединицы. Но они все еще работают.
«Для понимания того, как развивалась форма I rubisco, важно знать, как развивалась маленькая субъединица», - сказал Ши. «Это единственная известная нам форма rubisco, которая образует этот вид октамерной сборки больших субъединиц».
Соавтор исследования, профессор Джилл Бэнфилд из отдела наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, обнаружила новый вариант rubisco после проведения метагеномного анализа проб подземных вод. Метагеномный анализ позволяет исследователям изучать гены и генетические последовательности из окружающей среды без культивирования микроорганизмов.
«Мы почти ничего не знаем о том, какая микробная жизнь существует в мире вокруг нас, поэтому подавляющее большинство разнообразия было невидимым», - сказала Бэнфилд. «Последовательности, которые мы передали в лабораторию Патрика, на самом деле получены от организмов, которые не были представлены ни в каких базах данных».
Банда и Ши успешно экспрессировали форму I-prime rubisco в лаборатории с использованием кишечной палочки и изучили ее молекулярную структуру.
Форма I rubisco состоит из восьми основных крупных молекулярных субъединиц с восемью небольшими субъединицами, расположенными сверху и снизу. Каждая часть структуры важна для фотосинтеза и фиксации углерода. Как и форма I rubisco, форма I-prime rubisco состоит из восьми больших субъединиц. Однако она не имеет мелких субъединиц, которые ранее считались необходимыми.
«Открытие октамерного rubisco, которое формируется без малых субъединиц, позволяет нам задавать эволюционные вопросы о том, как бы жизнь выглядела без функциональности, обеспечиваемой небольшими подразделениями», - сказал Банда. «В частности, мы обнаружили, что ферменты формы I-prime rubisco должны были развить усиленные взаимодействия в отсутствие малых субъединиц, что обеспечило структурную стабильность в то время, когда атмосфера Земли быстро менялась».
По мнению исследователей, форма I-prime rubisco представляет собой недостающее звено в истории эволюции. Поскольку форма I rubisco преобразует неорганический углерод в растительную биомассу, дальнейшие исследования ее структуры и функций могут привести к инновациям в сельскохозяйственном производстве, пишет EurekAlert.
«Несмотря на значительный интерес к разработке «лучшего» rubisco, за десятилетия исследований не удалось добиться большого успеха», - сказал Ши. «Таким образом, понимание того, как фермент эволюционировал в течение миллиардов лет, может дать ключевое понимание будущих инженерных усилий, которые в конечном итоге могут улучшить фотосинтетическую продуктивность сельскохозяйственных культур».
Написать комментарий